(57)【要約】【課題】平面内で厚み方向の軸回りの角速度を高精度に検出することができる角速度センサ、電子機器及び角速度の検出方法を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る角速度センサは、環状のフレーム１０と、駆動部と、検出部とを具備する。フレームは、第１の梁１１ａ、１１ｂの組と、第２の梁１２ａ、１２ｂの組とを有する。第１の梁の組は、ａ軸方向に延在し、ａ軸方向と直交するｂ軸方向に相互に対向する。第２の梁の組は、ｂ軸方向に延在し、ａ軸方向に相互に対向する。上記駆動部は、第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間する振動モードで、フレームをａ軸及びｂ軸が属するＸＹ平面内において振動させる。上記検出部は、上記振動モードで振動するフレームのＸＹ面内における変形量に基づいて、ＸＹ平面と直交するＺ軸方向の軸回りの角速度を検出する。【選択図】図５
2011086633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に延在し前記第１の方向と直交する第２の方向に相互に対向する第１の梁の組と、前記第２の方向に延在し前記第１の方向に相互に対向する第２の梁の組と、前記第１の梁と前記第２の梁との間を接続する複数の接続部とを有する環状のフレームと、
前記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームを前記第１及び第２の方向が属する第１の面内において振動させる駆動部と、
前記振動モードで振動する前記フレームの前記第１の面内における変形量に基づいて、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向の軸回りの角速度を検出する第１の検出部と、
前記接続部に接続され、前記フレームを支持する支持部と
を具備する角速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記第１の面内において前記第１及び第２の方向と交差する第４の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第１の振り子部と、
前記第１の面内において前記第１、第２及び第４の方向と交差する第５の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第２の振り子部と、
前記第１の面と直交する方向への前記第１及び第２の振り子部の変形量に基づいて、前記第１の面内における所定の２つの方向の軸回りの角速度を検出する第２の検出部と
をさらに具備する角速度センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の角速度センサであって、
前記第２の検出部は、前記第１及び第２の方向の軸回りの角速度を検出する
角速度センサ。
【請求項４】
請求項２に記載の角速度センサであって、
前記第２の検出部は、前記第１及び第２の振り子上に配置され前記第１の面と直交する方向への前記第１及び第２の振り子部の変形を電気的に検出する圧電層を含む
角速度センサ。
【請求項５】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記駆動部は、前記第１及び第２の梁にそれぞれ配置された圧電駆動層を含む
角速度センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記第１及び第２の梁の少なくとも一方に配置され、前記振動モードでの振動による前記梁の変形を検出するための圧電層を含む参照部をさらに具備する
角速度センサ。
【請求項７】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記支持部は、
固定部に機械的に固定されるベースと、
前記ベースと前記接続部との間を連結し変形可能な連結部とを有する
角速度センサ。
【請求項８】
請求項７に記載の角速度センサであって、
前記ベースは、前記フレームの外側を囲む枠状に形成される
角速度センサ。
【請求項９】
請求項７に記載の角速度センサであって、
前記ベースは、前記固定部に電気的に接続される電極パッドを有する
角速度センサ。
【請求項１０】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記フレームは、前記第１及び第２の梁のうち少なくとも一方に形成された重錘部をさらに有する
角速度センサ。
【請求項１１】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記第１の面内において前記第１及び第２の方向と交差する第４の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第１の振り子部と、
前記第１の面と直交する方向への前記第１の振り子部の変形量に基づいて、前記第４の方向の軸回りの角速度を検出する第３の検出部と
をさらに具備する角速度センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の角速度センサであって、
前記第１の面内において前記第１、第２及び第４の方向と直交する第５の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第２の振り子部と、
前記第１の面と直交する方向への前記第２の振り子部の変形量に基づいて、前記第５の方向の軸回りの角速度を検出する第４の検出部と
をさらに具備する角速度センサ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の角速度センサであって、
前記第３の検出部は、前記第１の振り子部上に配置され、前記第１の面と直交する方向への前記第１の振り子部の変形を電気的に検出する圧電層を含み、
前記第４の検出部は、前記第２の振り子部上に配置され、前記第１の面と直交する方向への前記第２の振り子部の変形を電気的に検出する圧電層を含む
角速度センサ。
【請求項１４】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記第１の検出部は、前記第１及び第２の梁の少なくとも一方に配置され、前記梁の変形を電気的に検出する圧電層を含む
角速度センサ。
【請求項１５】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記第１及び第２の梁は、前記フレームの内方側に突出する突出部を有する
角速度センサ。
【請求項１６】
第１の方向に延在し前記第１の方向と直交する第２の方向に相互に対向する第１の梁の組と、前記第２の方向に延在し前記第１の方向に相互に対向する第２の梁の組と、前記第１の梁と前記第２の梁との間を接続する複数の接続部とを有する環状のフレームと、
前記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームを前記第１及び第２の方向が属する第１の面内において振動させる駆動部と、
前記第１の面内において前記第１及び第２の方向と交差する第３の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第１の振り子部と、
前記第１の面内において前記第１、第２及び第３の方向と交差する第４の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第２の振り子部と、
前記第１の面と直交する方向への前記第１及び第２の振り子部の変形量に基づいて、前記第１の面内における所定の２つの方向の軸回りの角速度を検出する検出部と
前記接続部に接続され、前記フレームを支持する支持部と
を具備する角速度センサ。
【請求項１７】
第１の方向に延在し前記第１の方向と直交する第２の方向に相互に対向する第１の梁の組と、前記第２の方向に延在し前記第１の方向に相互に対向する第２の梁の組と、前記第１の梁と前記第２の梁との間を接続する複数の接続部とを有する環状のフレームと、
前記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームを前記第１及び第２の方向が属する面内において振動させる駆動部と、
前記振動モードで振動する前記フレームの前記面内における変形量に基づいて、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向の軸回りの角速度を検出する検出部と、
前記接続部に接続され、前記フレームを支持する支持部と
を有する角速度センサを備えた電子機器。
【請求項１８】
第１の方向に延在し前記第１の方向と直交する第２の方向に相互に対向する第１の梁の組と、前記第２の方向に延在し前記第１の方向に相互に対向する第２の梁の組と、前記第１の梁と前記第２の梁との間を接続する複数の接続部とを有する環状のフレームを、前記接続部に接続した支持部で支持し、
前記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームを前記第１及び第２の方向が属する第１の面内において振動させ、
前記振動モードで振動する前記フレームの前記第１の面内における変形量に基づいて、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向の軸回りの角速度を検出する
角速度の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ビデオカメラの手振れ検知やバーチャルリアリティ装置における動作検知、カーナビゲーションシステムにおける方向検知などに用いられる角速度センサ、電子機器及び角速度の検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
民生用の角速度センサとして、振動型のジャイロセンサが広く用いられている。振動型ジャイロセンサは、振動子を所定の周波数で振動させておき、振動子に生じるコリオリ力を圧電素子などで検出することによって角速度を検出する。上記ジャイロセンサは、例えば、ビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステムなどの電子機器に搭載され、それぞれ手振れ検知、動作検知、方向検知などのセンサとして活用されている。【０００３】
この種のジャイロセンサを用いて空間内での姿勢変化を検出する場合、直交する２軸または３軸の方向に沿ってジャイロセンサを配置する構成が知られている。例えば特許文献１には、３個のジャイロスコープの振動子がフレキシブル基板上に実装されており、このフレキシブル基板を折り曲げて３個の振動子を互いに直交させることで、３次元の角速度検出を可能とする構成が記載されている。同様に、特許文献２には、基台上に３個の三脚音叉振動子を３軸方向に互いに直交するように配置した三次元角速度センサが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２１１４８１号公報（段落［００１７］、図１）
【特許文献２】特開２０００−２８３７６５号公報（段落［００１９］、図８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、電子機器の小型化に伴い、これに搭載される電子部品の小型化、薄型化が要求されている。しかしながら、特許文献１及び２に記載の構成では、３つの振動子のうち１つはその長手方向を垂直方向（厚み方向）に向けて配置されていた。このため、センサの厚み寸法が大きくなるという問題があった。【０００６】
また、上記垂直方向に配置される振動子の長さを短くすることでセンサの厚み寸法を低減することも考えられるが、この場合、当該厚み方向の軸回りの角速度を高精度に検出することが困難になるという問題がある。【０００７】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、センサの薄型化を実現することができる角速度センサ、電子機器及び角速度の検出方法を提供することにある。【０００８】
また、本発明の目的は、平面内で厚み方向の軸回りの角速度を高精度に検出することができる角速度センサ、電子機器及び角速度の検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る角速度センサは、環状のフレームと、駆動部と、第１の検出部と、支持部とを具備する。
上記環状のフレームは、第１の梁の組と、第２の梁の組と、複数の接続部とを有する。上記第１の梁の組は、第１の方向に延在し、上記第１の方向と直交する第２の方向に相互に対向する。上記第２の梁の組は、上記第２の方向に延在し、上記第１の方向に相互に対向する。上記接続部は、上記第１の梁と上記第２の梁との間を接続する。
上記駆動部は、上記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、上記一方の組が離間したときに上記他方の組が近接する振動モードで、上記フレームを上記第１及び第２の方向が属する第１の面内において振動させる。
上記第１の検出部は、上記振動モードで振動する上記フレームの上記第１の面内における変形量に基づいて、上記第１及び第２の方向と直交する第３の方向の軸回りの角速度を検出する。
上記支持部は、上記接続部に接続され、上記フレームを支持する。【００１０】
上記フレームは、駆動部により、第１の面内において上記振動モードで励振される。このとき、第１及び第２の梁は、上記接続部を支点（振動節点）とする両持ち梁の形態で振動する。この状態で、フレームに上記第３の方向の軸回りへの角速度が作用すると、上記の各梁に対しその瞬間での振動方向（単方向）と直交する方向のコリオリ力が発生する。上記コリオリ力は、上記第１及び第２の梁の組に作用し、フレームを第１の面内において略平行四辺形状に歪ませる。第１の検出部は、当該フレームの第１の面内における歪み変形を検出し、その変形量に基づいて、フレームに作用した角速度を検出する。なお、支持部は、フレームの接続部に接続されることで、上記振動モードを阻害することなく、また上記歪み変形を阻害することなく、フレームを支持することが可能となる。【００１１】
上記角速度センサによれば、第３の方向の軸回りの角速度を、当該第３の方向と直交する平面内で振動するフレームの当該平面内における変形に基づいて検出することができる。これにより、必ずしも、振動する梁の長手方向を、検出する回転の回転軸方向とする必要はなくなり、垂直方向（厚み方向）の軸回りの角速度を検出する場合であっても、垂直方向（厚み方向）に合わせて梁の長手方向を配置する必要がなくなる。このため、センサの厚み寸法を大きくすることなく、厚み方向の軸回りの角速度を高精度に検出することができ、さらにセンサの薄型化を実現することが可能となる。【００１２】
上記角速度センサは、第１の振り子部と、第２の振り子部と、第２の検出部とをさらに具備してもよい。
上記第１の振り子部は、上記第１の面内において上記第１及び第２の方向と交差する第４の方向に延在するように上記接続部に設けられ、上記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する。
上記第２の振り子部は、上記第１の面内において上記第１、第２及び第４の方向と交差する第５の方向に延在するように上記接続部に設けられ、上記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する。
上記第２の検出部は、上記第１の面と直交する方向への上記第１及び第２の振り子部の変形量に基づいて、上記第１の面内における所定の２つの方向の軸回りの角速度を検出する。【００１３】
上記角速度センサにおいて、第１及び第２の振り子部は、フレームの振動に同期して第１の面内で振動する。この状態で、第１及び第２の振り子部に上記第１の面と平行な軸回りへの角速度が作用すると、上記第１及び第２の振り子部にその瞬間での振動方向（単方向）と直交する方向のコリオリ力が発生する。上記コリオリ力は、上記第１及び第２の振り子部に作用し、第１及び第２の振り子部を上記第１の面に直交する方向（第３の方向）に変形（振動）させる。第２の検出部は、当該第１及び第２の振り子部の第１の面に直交する方向（第３の方向）への変形をそれぞれ検出し、その変形量に基づいて、第１及び第２の振り子部に作用した角速度を検出する。したがって、上記角速度センサによれば、第３の方向の軸回りの角速度だけでなく、第１の面内における所定の２つの方向の軸回りの角速度をも検出することが可能である。【００１４】
上記第１の検出部は、上記第１及び第２の梁の少なくともいずれか一方に配置されてもよい。
第３の方向の軸回りに角速度が作用すると、コリオリ力により、第１及び第２の梁を含むフレーム全体が第１の面内において歪み変形を受ける。したがって、少なくともひとつの梁に、当該梁の歪み変形を検出する検出部が配置されることで、上記角速度の検出が実現可能となる。上記第１の検出部は、当該梁の変形を電気的に検出する圧電層を含むことができる。【００１５】
一方、上記角速度センサは、第１の振り子部と、第３の検出部とをさらに具備してもよい。
上記第１の振り子部は、上記第１の面内において上記第１及び第２の方向と交差する第４の方向に延在するように上記接続部に設けられる。上記第１の振り子部は、上記第１の面内で上記フレームの振動に同期して振動する。
上記第３の検出部は、上記第１の面と直交する方向への上記第１の振り子部の変形量に基づいて、上記第４の方向の軸回りの角速度を検出する。【００１６】
この場合、上記角速度センサは、第２の振り子部と、第４の検出部とをさらに具備してもよい。
上記第２の振り子部は、上記第１の面内において上記第１、第２及び第４の方向と交差する第５の方向に延在するように上記接続部に設けられる。上記第２の振り子部は、上記第１の面内で上記フレームの振動に同期して振動する。
上記第４の検出部は、上記第１の面と直交する方向への上記第２の振り子部の変形量に基づいて、上記第５の方向の軸回りの角速度を検出する。【００１７】
一方、上記第３の検出部は、上記第１の振り子部上に配置された圧電層を含んでもよく、この圧電層によって、上記第１の面と直交する方向への上記第１の振り子部の変形を電気的に検出してもよい。同様に、上記第４の検出部は、上記第２の振り子部上に配置された圧電層を含んでもよく、この圧電層により、上記第１の面と直交する方向への上記第２の振り子部の変形を電気的に検出してもよい。また上記第２の検出部も同様に、上記第１の振り子部上及び上記第２の振り子部上に配置された圧電層を含んでもよく、この圧電層によって上記第１の面と直交する方向への上記第１及び第２の振り子部の変形を電気的に検出してもよい。【００１８】
第１及び第２の振り子部は、それぞれ複数形成されてもよい。この場合、第１の振り子部は、上記第４の方向に相互に対向するようにフレームの接続部に各々形成され、第２の振り子部は、上記第５の方向に相互に対向するようにフレームの接続部に各々形成される。第１及び第２の振り子部は、フレームの外側に向かって延在してもよいし、フレームの内側に向かって延在してもよい。この場合、複数形成された第１及び第２の振り子部の全てに圧電層が形成されてもよいし、少なくとも各々１つに圧電層が形成されてもよい。【００１９】
上記支持部は、上記振動モードで振動するフレームの振動の節（ノード）となる上記接続部に設けられる。上記支持部は、ベースと、連結部とを有する。上記ベースは、固定部に機械的に固定される。上記連結部は、上記ベースと上記接続部との間を連結し変形可能に構成される。
この構成により、上記振動モードでのフレームの振動を阻害することなく、またコリオリ力によるフレーム及び振り子部の歪み変形を阻害することなく、フレームを固定部へ固定することができる。【００２０】
上記ベースは、上記フレームの外側を囲む枠状に形成されてもよい。これにより、上記フレームを固定部に対して安定に固定することができる。【００２１】
上記フレームは、上記第１及び第２の梁のうち少なくとも一方に形成された重錘部をさらに有してもよい。これにより、第１及び第２の梁の振幅や共振周波数、離調度等を容易に調整することが可能となる。【００２２】
本発明の他の形態に係る角速度センサは、環状のフレームと、駆動部と、第１の振り子部と、第２の振り子部と、検出部と、支持部とを具備する。
上記フレームは、第１の梁の組と、第２の梁の組と、複数の接続部とを有する。上記第１の梁の組は、第１の方向に延在し上記第１の方向と直交する第２の方向に相互に対向する。上記第２の梁の組は、上記第２の方向に延在し上記第１の方向に相互に対向する。上記接続部は、上記第１の梁と上記第２の梁との間を接続する。
上記駆動部は、上記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、上記フレームを上記第１及び第２の方向が属する第１の面内において振動させる。
上記第１の振り子部は、上記第１の面内において上記第１及び第２の方向と交差する第３の方向に延在するように上記接続部に設けられる。上記第１の振り子部は、上記第１の面内で上記フレームの振動に同期して振動する。
上記第２の振り子部は、上記第１の面内において上記第１、第２及び第３の方向と交差する第４の方向に延在するように上記接続部に設けられる。上記第２の振り子部は、上記第１の面内で上記フレームの振動に同期して振動する。
上記検出部は、上記第１の面と直交する方向への上記第１及び第２の振り子部の変形量に基づいて、上記第１の面内における所定の２つの方向の軸回りの角速度を検出する。
上記支持部は、上記接続部に接続され、上記フレームを支持する。【００２３】
上記角速度センサにおいて、第１及び第２の振り子部は、フレームの振動に同期して第１の面内で振動する。支持部は、フレーム及び第１、第２の振り子部を上記振動モードで振動可能かつコリオリ力によって変形可能に支持する。この状態で、第１及び第２の振り子部に上記第１の面と平行な軸回りへの角速度が作用すると、上記第１及び第２の振り子部にその瞬間での振動方向（単方向）と直交する方向のコリオリ力が発生する。上記コリオリ力は、上記第１及び第２の振り子部に作用し、第１及び第２の振り子部を第１の面に直交する方向に変形（振動）させる。検出部は、当該第１及び第２の振り子部の第１の面に直交する方向への変形をそれぞれ検出し、その変形量に基づいて、第１及び第２の振り子部に作用した角速度を検出する。したがって、上記角速度センサによれば、第１の面内における所定の２つの方向の軸回りの角速度をも検出することが可能である。【００２４】
本発明の一形態に係る電子機器は、環状のフレームと、駆動部と、検出部と、支持部とを有する角速度センサを備える。
上記環状のフレームは、第１の梁の組と、第２の梁の組と、複数の接続部とを有する。上記第１の梁の組は、第１の方向に延在し、上記第１の方向と直交する第２の方向に相互に対向する。上記第２の梁の組は、上記第２の方向に延在し、上記第１の方向に相互に対向する。上記接続部は、上記第１の梁と上記第２の梁との間を接続する。
上記駆動部は、上記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、上記フレームを上記第１及び第２の方向が属する第１の面内において振動させる。
上記検出部は、上記振動モードで振動する上記フレームの上記第１の面内における変形量に基づいて、上記第１及び第２の方向と直交する第３の方向の軸回りの角速度を検出する。
上記支持部は、上記接続部に接続され、上記フレームを支持する。【００２５】
本発明の一形態に係る角速度の検出方法は、第１の方向に延在し前記第１の方向と直交する第２の方向に相互に対向する第１の梁の組と、上記第２の方向に延在し上記第１の方向に相互に対向する第２の梁の組と、上記第１の梁と上記第２の梁との間を接続する複数の接続部とを有する環状のフレームを、上記接続部に接続した支持部で支持することを含む。
上記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、上記一方の組が離間したときに上記他方の組が近接する振動モードで、上記フレームは、上記第１及び第２の方向が属する第１の面内において振動させられる。
上記振動モードで振動する上記フレームの上記第１の面内における変形量に基づいて、上記第１及び第２の方向と直交する第３の方向の軸回りの角速度が検出される。
【発明の効果】
【００２６】
以上のように、本発明によれば、センサの薄型化を実現することができる。また、本発明によれば、平面内で厚み方向の軸回りの角速度を高精度に検出することができる。すなわち、本発明においては、必ずしも、振動する梁の長手方向を、検出する回転の回転軸方向とする必要はなくなり、垂直方向（厚み方向）の軸回りの角速度を検出する場合であっても、垂直方向（厚み方向）に合わせて梁の長手方向を配置する必要がなくなる。このため、厚み方向の回転検出を含む１軸、又は相互に直交する２軸もしくは３軸の回転検出において、理論上は上記１軸の回転検出を行うセンサと同じ厚み寸法で相互に直交する３軸の検出が可能となる。これにより、センサの厚み寸法を大きくすることなく、厚み方向の軸回りの角速度を高精度に検出することができ、さらにセンサの薄型化を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る角速度センサの基本構成を示す平面図である。
【図２】図１における［２］−［２］線方向断面図である。
【図３】図１の要部の作用を説明する概略斜視図である。
【図４】図１に示した角速度センサの基本振動の様子を示す図である。
【図５】図１に示した角速度センサの一作用を説明する概略平面図であり、Ｚ軸まわりの角速度が生じたときの様子を示す。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る角速度センサの構成を示す平面図である。
【図７】図６に示した角速度センサの駆動回路の一例を示すブロック図である。
【図８】図６の構成の変形例を示す角速度センサの要部断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る角速度センサの構成を示す平面図である。
【図１０】図９に示した角速度センサの一作用を説明する図であり、Ｘ軸まわりの角速度が生じたときの様子を示す。
【図１１】図９に示した角速度センサの一作用を説明する図であり、Ｙ軸まわりの角速度が生じたときの様子を示す。
【図１２】図９に示した角速度センサの駆動回路の一例を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る角速度センサの構成を示す平面図である。
【図１４】図１３に示した角速度センサの駆動回路の一例を示すブロック図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係る角速度センサの構成を示す平面図である。
【図１６】図１５に示した角速度センサの側面図である。
【図１７】図１５に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図１８】図１５に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図１９】本発明の第５の実施形態に係る角速度センサの構成を示す平面図である。
【図２０】図１９に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図２１】図１９に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図２２】図１９に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図２３】本発明の第６の実施形態に係る角速度センサの構成を示す平面図である。
【図２４】図２３に示した角速度センサの一作用を説明する図であり、（Ａ）はＸ軸まわりの角速度が生じたときの様子を示し、（Ｂ）はＹ軸まわりの角速度が生じたときの様子を示す。
【図２５】図２３に示した角速度センサの駆動回路の一例を示すブロック図である。
【図２６】本発明の第７の実施形態に係る角速度センサの構成を示す平面図である。
【図２７】図２６に示した角速度センサの素子サイズの一例を他の角速度センサと比較して示す平面図である。
【図２８】図１８に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図２９】図６に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図３０】図６に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図３１】図６に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図３２】図６に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図３３】図６に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図３４】図１５に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図３５】図１５に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図３６】図２１に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図３７】図２１に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図３８】図１３に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図３９】図１３に示した角速度センサの構成の一変形例を示す平面図である。
【図４０】図１３に示した角速度センサのフレームを構成する梁の断面構造を示す図である。
【図４１】図１３に示した角速度センサの駆動周波数とＸ軸及びＹ軸まわりの角速度検出周波数との関係を示す図である。
【図４２】図１３に示した角速度センサの駆動周波数とＸ軸及びＹ軸まわりの角速度検出周波数との関係を示す図である。
【図４３】図１９に示した角速度センサの要部の変形例を説明する図である。
【図４４】図１６に示した角速度センサの構成の一変形例を示す断面図である。
【図４５】図８の構成の変形例を示す角速度センサの要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る角速度センサの駆動部分の基本構成を示す平面図である。図１では、角速度センサのフレーム及び駆動部の構成例が示されており、角速度の検出部の構成例は図６、図９、図１３等に示されている。以下、図１を参照して、この角速度センサの駆動部分の基本構成を説明する。
【００３０】
［フレーム］
本実施形態の角速度センサ１は、四辺を有する環状のフレーム１０を備える。フレーム１０は、ａ軸方向に横方向、ｂ軸方向に縦方向、ｃ軸方向に厚み方向を有する。一方、図１において、Ｘ軸方向は、ｃ軸を中心としてａ軸を反時計まわりに４５度回転させたときの軸方向に相当し、Ｙ軸方向は、ｃ軸を中心としてｂ軸を反時計まわりに４５度回転させたときの軸方向に相当する。Ｚ軸方向は、ｃ軸方向と平行な軸方向である。
【００３１】
フレーム１０の各辺は、振動梁として機能し、第１の梁の組１１ａ、１１ｂと、第２の梁の組１２ａ、１２ｂとを含む。第１の梁の組１１ａ、１１ｂは、図１においてａ軸方向（第１の方向）に相互に平行に延在し、ａ軸方向と直交するｂ軸方向（第２の方向）に相互に対向する一組の対辺で構成される。第２の梁の組１２ａ、１２ｂは、ｂ軸方向に相互に平行に延在し、ａ軸方向に相互に対向する他の一組の対辺で構成される。梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、それぞれ同一の長さ、幅及び厚みを有しており、フレーム１０の外観は、中空の正方形状を有している。
【００３２】
フレーム１０は、シリコン単結晶基板に微細加工技術を施すことで形成される。例えば、フレーム１０は、公知のＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）の製造技術を用いて形成することができる。フレーム１０の大きさは特に限定されず、例えば、フレーム１０の一辺の長さは１０００〜４０００μｍ、フレーム１０の厚みは１０〜２００μｍ、梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの幅は５０〜２００μｍである。
【００３３】
フレーム１０の四隅に相当する部位には、第１の梁の組１１ａ、１１ｂと第２の梁の組１２ａ、１２ｂとの間を接続する接続部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄがそれぞれ形成されている。第１の梁の組１１ａ、１１ｂ及び第２の梁の組１２ａ、１２ｂの両端は、接続部１３ａ〜１３ｄによってそれぞれ支持される。後述するように、各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、接続部１３ａ〜１３ｄによって両端が支持された振動梁として機能する。フレーム１０の四隅は、図示するように角張った形状に限らず、面取りされたり、丸みを帯びた形状に形成されたりしてもよい。
【００３４】
フレーム１０は、さらに、第１の振り子部２１ａ、２１ｂと、第２の振り子部２２ａ、２２ｂとを有する。第１の振り子部２１ａ、２１ｂは、Ｘ軸方向に対向する２つの接続部１３ａ、１３ｃにそれぞれ形成されており、Ｘ軸方向に沿ってフレーム１０の内側に延在している。第１の振り子部２１ａ、２１ｂのそれぞれの一端は、接続部１３ａ、１３ｃに固定され、それぞれの他端は、フレーム１０の中央付近において相互に対向している。第２の振り子部２２ａ、２２ｂは、Ｙ軸方向に対向する２つの接続部１３ｂ、１３ｄにそれぞれ形成されており、Ｙ軸方向に沿ってフレーム１０の内側に延在している。第２の振り子部２２ａ、２２ｂのそれぞれの一端は、接続部１３ｂ、１３ｄに固定され、それぞれの他端は、フレーム１０の中央付近において相互に対向している。
【００３５】
振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは、それぞれ典型的には同一の形状及び大きさを有しており、フレーム１０の外形加工の際に同時に形成される。振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂの形状、大きさは特に限定されず、全く同一の形状でなくてもよい。本実施形態において、振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは、自由端側に形成されたヘッド部Ｈと、ヘッド部Ｈと接続部１３ａ〜１３ｄとの間を接続するアーム部Ｌとを有する。アーム部Ｌは、後述するように梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの振動によってＸＹ平面内において励振される。ヘッド部Ｈは梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂからみて振動錘として機能する。なお、振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂの形成は省略されてもよい。
【００３６】
フレーム１０は上述した正方形状に限られず、長方形状や平行四辺形状を含む他の四角形状であってもよい。また、フレーム１０は、四角形に限られず、八角形等の他の多角形状であってもよい。四隅の接続部により両端が支持された各梁は直線でなく、屈曲した直線や曲線で構成されていてもよく、内周もしくは外周側に突出していてもよい。また、各接続部１３ａ〜１３ｄには、フレーム１０を固定部へ支持する支持部が接続されているが、その図示はここでは省略されている。
【００３７】
［駆動電極］
角速度センサ１は、フレーム１０を振動させる駆動部として、圧電駆動層を有する。圧電駆動層は、第１の梁の組１１ａ、１１ｂにそれぞれ設けられた第１の圧電駆動層３１ａ、３１ｂと、第２の梁の組１２ａ、１２ｂにそれぞれ設けられた第２の圧電駆動層３２ａ、３２ｂとを有する。圧電駆動層３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂは、入力電圧に応じて機械的に変形し、その変形の駆動力で梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂを振動させる。変形の方向は、入力電圧の極性で制御される。
【００３８】
第１の圧電駆動層３１ａ、３１ｂ及び第２の圧電駆動層３２ａ、３２ｂはそれぞれ、第１の圧電駆動体３０１と、第２の圧電駆動体３０２とを有している。圧電駆動体３０１、３０２は、梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの上面であってそれらの軸線に関して対称な位置にそれぞれ直線的に形成されている。図１においては、理解を容易にするため、第１及び第２の圧電駆動体３０１、３０２をそれぞれ異なる種類のハッチングで示す。第１の圧電駆動体３０１は、第１の梁の組１１ａ、１１ｂの内縁側と、第２の梁の組１２ａ、１２ｂの外縁側とに各々平行に配置されている。第２の圧電駆動体３０２は、第１の梁の組１１ａ、１１ｂの外縁側と、第２の梁の組１２ａ、１２ｂの内縁側とに各々平行に配置されている。
【００３９】
第１及び第２の圧電駆動体３０１、３０２は、それぞれ同一の構成を有している。図２は、第２の梁１２ａに配置された第２の圧電駆動層３２ａの断面図である。第１及び第２の圧電駆動体３０１は、下部電極層３０３と、圧電材料層３０４と、上部電極層３０５との積層構造を有する。圧電駆動体３０１、３０２は、例えば０．５〜３μｍの厚みで形成される。なお、圧電駆動体が形成される梁を有するフレームはシリコン単結晶基板からなり、上記圧電駆動体が形成される面にはあらかじめシリコン酸化膜等の絶縁膜が形成されているが、図２ではその記載を省略している。
【００４０】
圧電材料層３０４は、下部電極層３０３と上部電極層３０５との電位差に応じて伸縮するように分極配向されている。したがって、圧電駆動体３０１、３０２の各々の下部電極層３０３を共通の基準電位に接続し、各々の上部電極層３０５に逆位相の交流電圧を印加することで、圧電駆動体３０１と圧電駆動体３０２とは相互に逆位相で伸縮することになる。
【００４１】
下部電極層３０３、圧電材料層３０４及び上部電極層３０５の構成材料は特に限定されず、例えば、下部電極層３０３はチタン（Ｔｉ）と白金（Ｐｔ）の積層膜、圧電材料層３０４はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、上部電極層３０５は白金で構成される。これら各層は、スパッタリング法や真空蒸着法、ＣＶＤ法等の薄膜製造技術を用いて形成することができる。また、形成された膜のパターニングには、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング加工を用いることができる。
【００４２】
なお、以下の説明では、第１の圧電駆動体３０１を「第１の駆動電極３０１」とも称し、第２の圧電駆動体３０２を「第２の駆動電極３０２」とも称する。第１及び第２の駆動電極３０１、３０２は全ての梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂにそれぞれ形成される例に限られない。例えば、第１及び第２の駆動電極３０１、３０２のうち何れか一方が各梁に形成されていればよい。また、相互に対向する梁の組のうち一方の梁が振動すれば、その振動がフレームの接続部を介して他方の梁に伝播し、当該他方の梁の振動を励起させることができる。このため、相互に対向する梁の組のうち一方の梁にのみ駆動電極が配置されてもよい。
【００４３】
［角速度センサの動作原理］
図３は、図１の第２の梁の組１２ａ、１２ｂの振動の態様を説明する模式図である。第１の駆動電極３０１と第２の駆動電極３０２とは、一方が伸びたとき他方が縮むように相互に逆位相の電圧が印加される。これにより、梁１２ａ、１２ｂは、両端が接続部１３ａ〜１３ｄに支持された状態でａ軸方向に撓み変形を受け、ＸＹ平面内において双方が離間する方向と双方が近接する方向とに交互に振動する。図１の第１の梁の組１１ａ、１１ｂも同様に、両端が接続部１３ａ〜１３ｄに支持された状態でｂ軸方向に撓み変形を受け、ＸＹ平面内において双方が離間する方向と双方が近接する方向とに交互に振動する。
【００４４】
ここで、第１の梁の組１１ａ、１１ｂと第２の梁の組１２ａ、１２ｂとにおいては、それらの内縁側と外縁側とに配置される第１及び第２の駆動電極３０１、３０２の位置関係が反対の関係にある。したがって、第１の梁の組１１ａ、１１ｂ（の対向する梁の中央部）が相互に近接する方向に振動する場合は、第２の梁の組１２ａ、１２ｂ（の対向する梁の中央部）は相互に離間する方向に振動し、第１の梁の組１１ａ、１１ｂが相互に離間する方向に振動する場合は、第２の梁の組１２ａ、１２ｂは相互に近接する方向に振動する。このとき、各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの中央部は、振動の腹を形成し、それらの両端部（接続部１３ａ〜１３ｄ）は、振動の節（ノード）を形成する。このような振動モードを以下、フレーム１０の基本振動と称する。
【００４５】
梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、それらの共振周波数で駆動される。各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの共振周波数は、それらの形状、長さ等によって定められる。フレーム１０の基本振動における共振周波数と、角速度検出時における共振周波数とが近いほど、検出出力を上げることができる。Ｚ軸まわりの角速度を検出する場合、上記２つの共振周波数は、フレーム１０の厚みにほとんど依存しないため、フレーム１０の厚みを小さくすることで、圧電駆動による機械的変位をより大きくすることができる。一方、フレーム１０が薄いとフレーム１０の機械的強度が低下するため、デバイスとしての信頼性を確保できる厚みに設定される。
【００４６】
また、振動梁の動作周波数が低いほど振動子の振幅が大きくなるため、角速度センサとしては高特性が得られる。一方、振動梁が小型であるほど、その動作周波数は高くなる傾向にある。本実施形態では、梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの共振周波数は、１〜１００ｋＨｚの範囲で設定される。
【００４７】
図４は、フレーム１０の基本振動の時間変化を示す模式図である。図４において、「駆動信号１」は、第１の駆動電極３０１に印加される入力電圧の時間変化を示し、「駆動信号２」は、第２の駆動電極３０２に印加される入力電圧の時間変化を示す。図４に示すように、駆動信号１と駆動信号２とは相互に逆位相に変化する交流波形を有する。これにより、フレーム１０は、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ａ）、・・・の順に変化し、第１の梁の組１１ａ、１１ｂと第２の梁の組１２ａ、１２ｂのうち、一方の組が近接したときは他方の組が離間し、上記一方の組が離間したときは上記他方の組が近接する振動モードで、フレーム１０は振動する。
なお、実際には入力信号が印加されてからフレームが変化（変位）するまでには圧電体の応答時間や入力動作周波数、フレーム共振周波数などの影響で遅延時間が存在する。本例においては、上記遅延時間は十分に小さいものとして図４の時間変化を説明している。
【００４８】
また、上述したフレーム１０の基本振動に伴って、第１の振り子部２１ａ、２１ｂ及び第２の振り子部２２ａ、２２ｂもまた、フレーム１０の振動に同期して、接続部１３ａ〜１３ｄを中心としてＸＹ平面内でそれぞれ振動する。振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂの振動は、梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの振動により励起される。この場合、第１の振り子部２１ａ、２１ｂと第２の振り子部２２ａ、２２ｂとは、ＸＹ平面内における振り子部分の支点部すなわち上記接続部１３ａ〜１３ｄからの左右の揺動方向において、相互に逆位相で振動（揺動）する。
【００４９】
図４に示すように、第１の梁の組１１ａ、１１ｂが相互に近接する方向へ振動するときは、第１の振り子部２１ａと第２の振り子部２２ａとは相互に離間する方向へ振動し（状態（ｂ））、第１の梁の組１１ａ、１１ｂが相互に離間する方向へ振動するときは、第１の振り子部２１ａと第２の振り子部２２ａとは相互に近接する方向へ振動する（状態（ｄ））。第１の振り子部２１ｂと第２の振り子部２２ｂもまた、第２の梁の組１２ａ、１２ｂの振動方向によって、相互に離間する方向と近接する方向とに交互に振動する。以上のように、第１の振り子部２１ａ、２１ｂと第２の振り子部２２ａ、２２ｂとは、フレーム１０の基本振動に同期して相互に逆位相で振動する。
【００５０】
以上のように構成される本実施形態の角速度センサ１においては、駆動電極３０１、３０２に対して逆位相の交流電圧が印加されることで、フレーム１０の各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、図４に示した振動モードで振動する。このような基本振動を継続するフレーム１０にＺ軸まわりの角速度が作用すると、フレーム１０の各点に当該角速度に起因するコリオリ力が作用することで、フレーム１０は図５に示したようにＸＹ平面内において歪むように変形する。したがって、このＸＹ平面内におけるフレーム１０の変形量を検出することで、フレーム１０に作用した角速度の大きさ及び方向を検出することが可能となる。
【００５１】
図５は、Ｚ軸まわりに角速度が作用したフレーム１０のある瞬間におけるフレーム１０の変形の様子を概略的に示す平面図である。なお説明を分かりやすくするため、フレーム１０の形状及び変形の様子はやや誇張して示している。基本振動をするフレーム１０にＺ軸を中心とする時計回り方向の角速度が作用すると、フレーム１０内の各点（梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ）には、Ｚ軸と直交するＸＹ平面内において、上記各点のその瞬間における移動方向（振動方向）と時計回り方向へ９０度をなす方向に当該角速度の大きさに比例したコリオリ力が発生する。すなわち、コリオリ力の向きは、図５に示すように当該コリオリ力が作用する点の上記瞬間における振動の方向によって決まる。これにより、フレーム１０は、正方形状から概略平行四辺形状となるように、ＸＹ平面内において、ひしゃげられる（歪む）。
【００５２】
なお、図５は、Ｚ軸を中心として時計まわりに所定の角速度が作用したときの様子を示している。なお、角速度の向きが反対（反時計まわり）の場合は、各点に作用するコリオリ力の向きも反対となる。
【００５３】
フレーム１０に作用した角速度の検出にはどのような手段が用いられてもよく、例えば、フレーム１０に圧電検出層を配置してもよい。図６は、角速度検出用の圧電検出層５１（第１の検出部）を備えた角速度センサの平面図である。図６において、図１と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。
【００５４】
［検出電極］
図６に示す角速度センサ２は、第１の梁の組１１ａ、１１ｂのうち一方の梁１１ｂに形成される電極構造が、図１に示した角速度センサ１と異なる。すなわち本実施形態では、第２の駆動電極３０２に代えて、圧電検出層５１が配置されている。圧電検出層５１は、第１の圧電検出体５１ａと第２の圧電検出体５１ｂとを有する。第１及び第２の圧電検出体５１ａ、５１ｂは、第１の梁１１ｂの軸線方向の中央部に関して対称な位置にそれぞれ配置されている。第１及び第２の圧電検出体５１ａ、５１ｂは、圧電駆動体３０１、３０２と同様な構成を有しており、下部電極層と、圧電材料層と、上部電極層との積層体（図２）で構成され、梁１１ｂの機械的変形を電気信号に変換する機能を有する。
【００５５】
なお、以下の説明では、第１の圧電検出体５１ａを「第１の検出電極５１ａ」とも称し、第２の圧電検出体５１ｂを「第２の検出電極５１ｂ」とも称する。
【００５６】
図５に示したように、Ｚ軸まわりに角速度が生じると、コリオリ力により各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、ＸＹ平面内において歪み変形を受ける。この歪み変形は、各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂに対して同時に発生する。したがって、一部の梁に圧電検出層５１を配置することで、フレーム１０に作用する角速度を検出することが可能となる。
【００５７】
また、圧電検出層５１は、角速度に起因するフレーム１０の変形だけでなく、基本振動における梁１１ｂの変形をも検出する。ここで、角速度の発生に伴うフレーム１０の変形は、各梁の軸線方向の中央部に関して対称である。すなわち、梁１１ｂの中央部を境界とする一方の領域はフレーム１０の内方側に向かって凸なる形状に変形し、他方の領域はフレーム１０の外方側に凸なる形状に変形する。このため、梁１１ｂの上記一方の領域の外縁側は縮み、上記他方の領域の外縁側は伸長する。これら領域の各々の外縁側に配置された第１及び第２の検出電極５１ａ、５１ｂは、相互の逆位相の検出信号を出力する。したがって、これら検出信号の差分信号を生成することで、梁１１ｂの基本振動成分を除去しつつ、角速度成分を高精度に検出することが可能となる。
【００５８】
一方、図６に示す角速度センサ２は、第２の梁の組１２ａ、１２ｂのうち一方の梁１２ａに形成される電極構造が、図１に示した角速度センサ１と異なる。すなわち本実施形態では、第１の駆動電極３０１に代えて、参照電極６１（参照部）が配置されている。参照電極６１は、駆動電極３０１、３０２と同様な構成を有しており、下部電極層と、圧電検出層と、上部電極層との積層体（図２）で構成され、梁１２ａの機械的変形を電気信号に変換する機能を有する。
【００５９】
参照電極６１は、梁１２ａの外縁側に配置されることで、駆動電極３０２によって励振される梁１２ａの振動を検出し、その検出出力は、フレーム１０を基本振動で発振させるための参照信号の生成に用いられる。なお、参照電極６１の形成に代えて、第１及び第２の検出電極５１ａ、５１ｂの各出力の和信号を生成し、これを上記参照信号とすることも可能である。
【００６０】
［角速度センサの駆動回路］
次に、以上のように構成される角速度センサ２の駆動回路について説明する。図７は、角速度センサ２の駆動回路１００Ａを示すブロック図である。駆動回路１００Ａは、例えば、ＩＣチップ、あるいは１チップ化されたＩＣ部品で構成される。
【００６１】
駆動回路１００Ａは、Ｇｏ１端子と、Ｇｏ２端子と、ＧFB端子と、Ｇａｚ端子と、Ｇｂｚ端子と、Ｖref端子とを有する。Ｇｏ１端子は、第１の駆動電極３０１の上部電極層３０５（図２）に接続されている。Ｇｏ２端子は、第２の駆動電極３０２の上部電極層３０５（図２）に接続されている。ＧFB端子は、参照電極６１に接続されている。Ｇａｚ端子は、第１の検出電極５１ａの上部電極層に接続され、Ｇｂｚ端子は、第２の検出電極５１ｂの上部電極層に接続されている。Ｖref端子は、第１及び第２の駆動電極３０１、３０２の各々の下部電極層３０３（図２）と、第１及び第２の検出電極５１ａ、５１ｂの各々の下部電極層とに、それぞれ接続されている。
【００６２】
駆動回路１００Ａにおいて、Ｇｏ１端子は、自励発振回路１０１の出力端に接続されている。自励発振回路１０１は、駆動電極３０１、３０２を駆動するための駆動信号（交流信号）を生成する。Ｇｏ２端子は、反転アンプ１０２を介して自励発振回路１０１の出力端に接続されている。反転アンプ１０２は、自励発振回路１０１にて生成された駆動信号の位相を反転させる。これにより、第１の駆動電極３０１と第２の駆動電極３０２とは、相互に逆位相で伸縮される。Ｖref端子は、所定の基準電位に接続されている。基準電位は、グラウンド電位でもよいし、一定のオフセット電位でもよい。
【００６３】
駆動回路１００Ａはさらに、演算回路１０３Ａと、検波回路１０４ｚと、平滑回路１０５ｚとを有する。ＧFB端子、Ｇａｚ端子及びＧｂｚ端子はそれぞれ演算回路１０３Ａの入力端に接続されている。演算回路１０３Ａは、ＧFB端子を介して供給される参照電極６１の出力電圧に基づいて参照信号を生成し、これを自励発振回路１０１へ出力する。また、演算回路１０３Ａは、Ｇａｚ端子及びＧｂｚ端子を介して供給される検出電極５１ａ、５１ｂの出力電圧の差分信号を生成し、これを検波回路１０４ｚへ出力する。
【００６４】
検波回路１０４ｚは、自励発振回路１０１からの駆動信号の出力あるいは参照信号に同期して上記差分信号を全波整流し、直流化する。平滑回路１０５ｚは、検波回路の出力を平滑化する。平滑回路１０５ｚから出力される直流電圧信号ωｚは、Ｚ軸まわりの角速度の大きさ及び方向に関する情報が含まれる。すなわち、基準電位Ｖrefに対する上記直流電圧信号ωｚの大きさが角速度の大きさに関する情報に相当し、当該直流電圧の極性が角速度の方向に関する情報に相当する。
【００６５】
図７に示した実施形態では、角速度センサ２の駆動電極３０１、３０２の各々の下部電極層３０３がいずれも基準電位（Ｖref）に接続される回路例について説明した。これに限られず、駆動電極３０１、３０２のうち何れか一方について、入力電圧が印加される電極層を下部電極層３０３側としてもよい。図８は、その接続例を示す駆動電極３０１、３０２の要部断面図である。図８の例では、第１の駆動電極３０１の下部電極層３０３に駆動信号（Ｇｏ端子）が接続され、その上部電極層３０５にＶref端子が接続されている。この接続例においても、第１及び第２の駆動電極３０１を相互に逆位相で伸縮させることが可能である。また、駆動回路１００Ａから反転アンプ１０２を省略できるとともに、Ｇｏ１端子とＧｏ２端子とを共通のＧｏ端子で構成することができる。
【００６６】
角速度センサ２は、駆動回路１００Ａとともに固定部としての回路基板（図示略）上に実装されることで、１つのセンサ部品（パッケージ部品）を構成する。回路基板に対する角速度センサ２の実装方式としては、フリップチップ方式でもよいし、ワイヤボンディング方式でもよい。角速度センサ２は、フレーム１０の振動時において振動の節を形成する接続部１３ａ〜１３ｄを介して回路基板上へ実装される。これにより、フレーム１０の振動を阻害することなく、フレーム１０を支持することが可能となる。また、後述するように、接続部１３ａ〜１３ｄに支持部を形成し、当該支持部を介してフレーム１０を振動変形可能に弾性的に支持してもよい。回路基板と角速度センサ２との間の電気的接続もまた、接続部１３ａ〜１３ｄを介して行うことができる。
【００６７】
以上のように、本実施形態によれば、Ｚ軸方向の軸まわりの角速度を、ＸＹ平面内で振動するフレーム１０のＸＹ平面内における変形に基づいて検出することができる。すなわち、本実施形態においては、必ずしも、振動する梁の長手方向を、検出する回転の回転軸方向とする必要はなくなり、垂直方向（厚み方向）の軸回りの角速度を検出する場合であっても、垂直方向（厚み方向）に合わせて梁の長手方向を配置する必要がなくなる。これにより、厚み寸法を大きくすることなく、厚み方向の軸まわりの角速度を高精度に検出することができ、さらにセンサの薄型化を実現することが可能となる。
【００６８】
また、本実施形態に係る角速度センサは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステム等の電子機器に内蔵され、手振れ検知や動作検知、方向検知等のためのセンサ部品として広く用いられる。特に、本実施形態によれば、センサの小型化、薄型化を図ることができるため、電子機器の小型化、薄型化等に対する要求にも十分に応えることが可能である。
【００６９】
（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る角速度センサを示している。本実施形態に係る角速度センサは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に平行な軸まわりの角速度を検出可能な構造を有する。
【００７０】
図９は、本実施形態の角速度センサ３の構成を示す平面図である。図９において図１と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。本実施形態の角速度センサ３は、図１に示した角速度センサ１に対して、Ｘ軸まわりの角速度を検出するための検出電極７１ａ、７１ｂと、Ｙ軸まわりの角速度を検出するための検出電極７２ａ、７２ｂとを付加することで構成される。
【００７１】
図９に示すように、Ｘ軸まわりの角速度を検出する検出電極７１ａ、７１ｂは、第１の振り子部２１ａ、２１ｂの表面にそれぞれ配置されている。Ｙ軸まわりの角速度を検出する検出電極７２ａ、７２ｂは、第２の振り子部２２ａ、２２ｂの表面にそれぞれ配置されている。検出電極７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂは、各振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂのアーム部Ｌの軸心上に直線的に形成されている。
【００７２】
検出電極７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂは、第１及び第２の駆動電極３０１、３０２と同様な構成を有しており、下部電極層と、圧電材料層と、上部電極層との積層体（図２）で構成され、アーム部Ｌの機械的変形を電気信号に変換する機能を有する。特に、検出電極７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂは、アーム部ＬのＺ軸方向の変形を検出する機能を有する。
【００７３】
本実施形態の角速度センサ３においては、駆動電極３０１、３０２に対して逆位相の交流電圧が印加されることで、フレーム１０の各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、第１の振り子部２１ａ、２１ｂ及び第２の振り子部２２ａ、２２ｂは、図４に示した振動モードで振動する。図１０（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、フレーム１０にＸ軸まわりの角速度が作用したときの振り子部２１ａ、２１ｂの振動形態を説明する図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＸ軸方向から見た側断面図、（Ｃ）は各振り子部の概略斜視図である。図１１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、フレーム１０にＹ軸まわりの角速度が作用したときの振り子部２２ａ、２２ｂの振動形態を説明する図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＹ軸方向から見た側断面図、（Ｃ）は各振り子部の概略斜視図である。
【００７４】
図１０（Ａ）に示すように、基本振動を継続するフレーム１０にＸ軸まわりの角速度が作用すると、第１の振り子部２１ａ、２１ｂにその瞬間での振動方向と直交する方向のコリオリ力Ｆ１が発生する。これにより、第１の振り子部２１ａ、２１ｂは図１０（Ｂ）に示したようにＸＹ平面と直交する方向へ変形する。検出電極７１ａ、７１ｂは、ＸＺ平面内における第１の振り子部２１ａ、２１ｂの変形量を電気的に検出する。これにより、フレーム１０に作用したＸ軸まわりの角速度を検出することが可能となる。また、第１の振り子部２１ａ、２１ｂとに作用するコリオリ力Ｆ１は各々向きが逆であるため、振り子部２１ａ、２１ｂは相互に逆位相でＺ軸方向に励振される。したがって、検出電極７１ａ、７１ｂによって検出される検出信号は相互に逆位相となり、これらの差分信号を取得することでＸ軸まわりの角速度信号を生成することが可能となると共に、例えば検出電極７１ａ、７１ｂがいずれか単独の場合と比べて感度を約２倍にすることができる。
【００７５】
同様に、図１１（Ａ）に示すように、基本振動を継続するフレーム１０にＹ軸まわりの角速度が作用すると、第２の振り子部２２ａ、２２ｂにその瞬間での振動方向と直交する方向のコリオリ力Ｆ２が発生する。これにより、第２の振り子部２２ａ、２２ｂは図１１（Ｂ）に示したようにＸＹ平面と直交する方向へ変形する。検出電極７２ａ、７２ｂは、ＹＺ平面内における第２の振り子部２２ａ、２２ｂの変形量を電気的に検出する。これにより、フレーム１０に作用したＹ軸まわりの角速度を検出することが可能となる。また、第２の振り子部２２ａ、２２ｂとに作用するコリオリ力Ｆ２は各々向きが逆であるため、振り子部２２ａ、２２ｂは相互に逆位相でＺ軸方向に励振される。したがって、検出電極７２ａ、７２ｂによって検出される検出信号は相互に逆位相となり、これらの差分信号を取得することでＹ軸まわりの角速度信号を生成することが可能となる。
【００７６】
次に、以上のように構成される角速度センサ３の駆動回路について説明する。図１２は、角速度センサ３の駆動回路１００Ｂを示すブロック図である。駆動回路１００Ｂは、例えば、ＩＣチップ、あるいは１チップ化されたＩＣ部品で構成される。なお、図１２に示す角速度センサ３は、一部の梁１２ａについて、第１の駆動電極３０１の代わりに参照電極６１を有する。また、図１２において図７に示した駆動回路１００Ａと共通する構成要素については同一の符号を付する。
【００７７】
駆動回路１００Ｂは、Ｇｏ１端子と、Ｇｏ２端子と、ＧFB端子と、Ｇａｘ端子と、Ｇｂｘ端子と、Ｇａｙ端子と、Ｇｂｙ端子と、Ｖref端子とを有する。Ｇｏ１端子は、第１の駆動電極３０１の上部電極層３０５（図２）に接続されている。Ｇｏ２端子は、第２の駆動電極３０２の上部電極層３０５（図２）に接続されている。ＧFB端子は、参照電極６１に接続されている。Ｇａｘ端子は、検出電極７１ａの上部電極層に接続され、Ｇｂｘ端子は、検出電極７１ｂの上部電極層に接続されている。Ｇａｙ端子は、検出電極７２ａの上部電極層に接続され、Ｇｂｙ端子は、検出電極７２ｂの上部電極層に接続されている。Ｖref端子は、駆動電極３０１、３０２の各々の下部電極層３０３（図２）と、検出電極７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂの各々の下部電極層とに、それぞれ接続されている。
【００７８】
駆動回路１００Ｂにおいて、Ｇｏ１端子は、自励発振回路１０１の出力端に接続されている。自励発振回路１０１は、駆動電極３０１、３０２を駆動するための駆動信号（交流信号）を生成する。Ｇｏ２端子は、反転アンプ１０２を介して自励発振回路１０１の出力端に接続されている。反転アンプ１０２は、自励発振回路１０１にて生成された駆動信号の位相を反転させる。これにより、第１の駆動電極３０１と第２の駆動電極３０２とは、相互に逆位相で伸縮される。Ｖref端子は、所定の基準電位に接続されている。基準電位は、グラウンド電位でもよいし、一定のオフセット電位でもよい。
【００７９】
駆動回路１００Ｂはさらに、演算回路１０３Ｂと、検波回路１０４ｘ、１０４ｙと、平滑回路１０５ｘ、１０５ｙとを有する。ＧFB端子、Ｇａｘ端子、Ｇｂｘ端子、Ｇａｙ端子及びＧｂｙ端子はそれぞれ演算回路１０３Ｂの入力端に接続されている。演算回路１０３Ｂは、ＧFB端子を介して供給される参照電極６１の出力電圧に基づいて参照信号を生成し、これを自励発振回路１０１へ出力する。また、演算回路１０３Ｂは、Ｇａｘ端子及びＧｂｘ端子を介して供給される検出電極７１ａ、７１ｂの出力電圧の差分信号を生成し、これを検波回路１０４ｘへ出力する。さらに、演算回路１０３Ｂは、Ｇａｙ端子及びＧｂｙ端子を介して供給される検出電極７２ａ、７２ｂの出力電圧の差分信号を生成し、これを検波回路１０４ｙへ出力する。
【００８０】
検波回路１０４ｘ、１０４ｙは、自励発振回路１０１からの駆動信号の出力あるいは参照信号に同期して上記差分信号を全波整流し、直流化する。平滑回路１０５ｘ、１０５ｙは、検波回路の出力を平滑化する。平滑回路１０５ｘから出力される直流電圧信号ωｘは、Ｘ軸まわりの角速度の大きさ及び方向に関する情報が含まれる。また、平滑回路１０５ｙから出力される直流電圧信号ωｙは、Ｙ軸まわりの角速度の大きさ及び方向に関する情報が含まれる。すなわち、基準電位Ｖrefに対する上記直流電圧信号ωｘ、ωｙの大きさが角速度の大きさに関する情報に相当し、当該直流電圧の極性が角速度の方向に関する情報に相当する。
【００８１】
以上のように、本実施形態によれば、Ｘ及びＹ軸方向の軸まわりの角速度を、ＸＹ平面内で振動するフレーム１０のＸＺ平面内及びＹＺ平面内における変形に基づいて検出することができる。これにより、厚み寸法を大きくすることなく、Ｘ及びＹ軸方向の２軸まわりの角速度を高精度に検出することができ、さらにセンサの薄型化を実現することが可能となる。
【００８２】
また、本実施形態に係る角速度センサは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステム等の電子機器に内蔵され、手振れ検知や動作検知、方向検知等のためのセンサ部品として広く用いられる。特に、本実施形態によれば、センサの小型化、薄型化を図ることができるため、電子機器の小型化、薄型化等に対する要求にも十分に応えることが可能である。
【００８３】
（第３の実施形態）
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る角速度センサを示している。本実施形態に係る角速度センサは、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に平行な軸まわりの角速度を検出可能な構造を有する。
【００８４】
図１３は、本実施形態の角速度センサ４の構成を示す平面図である。図１３において図６及び図９と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。本実施形態の角速度センサ４は、図６に示した角速度センサ２に対して、Ｘ軸まわりの角速度を検出するための検出電極７１ａ、７１ｂと、Ｙ軸まわりの角速度を検出するための検出電極７２ａ、７２ｂとを付加することで構成される。
【００８５】
図１３に示すように、Ｘ軸まわりの角速度を検出する検出電極７１ａ、７１ｂは、第１の振り子部２１ａ、２１ｂの表面にそれぞれ配置されている。Ｙ軸まわりの角速度を検出する検出電極７２ａ、７２ｂは、第２の振り子部２２ａ、２２ｂの表面にそれぞれ配置されている。検出電極７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂは、各振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂのアーム部Ｌの軸心上に直線的に形成されている。
【００８６】
検出電極７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂは、第１及び第２の駆動電極３０１、３０２と同様な構成を有しており、下部電極層と、圧電材料層と、上部電極層との積層体（図２）で構成され、アーム部Ｌの機械的変形を電気信号に変換する機能を有する。特に、検出電極７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂは、アーム部ＬのＺ軸方向の変形を検出する機能を有する。
【００８７】
次に、以上のように構成される角速度センサ４の駆動回路について説明する。図１４は、角速度センサ４の駆動回路１００Ｃを示すブロック図である。駆動回路１００Ｃは、例えば、ＩＣチップ、あるいは１チップ化されたＩＣ部品で構成される。なお、図１４において図７及び図１２に示した駆動回路１００Ａ、１００Ｂと共通する構成要素については同一の符号を付する。
【００８８】
駆動回路１００Ｃは、Ｇｏ１端子と、Ｇｏ２端子と、ＧFB端子と、Ｇａｘ端子と、Ｇｂｘ端子と、Ｇａｙ端子と、Ｇｂｙ端子と、Ｇａｚ端子と、Ｇｂｚ端子と、Ｖref端子とを有する。Ｇｏ１端子は、第１の駆動電極３０１の上部電極層３０５（図２）に接続されている。Ｇｏ２端子は、第２の駆動電極３０２の上部電極層３０５（図２）に接続されている。ＧFB端子は、参照電極６１に接続されている。Ｇａｘ端子は、検出電極７１ａの上部電極層に接続され、Ｇｂｘ端子は、検出電極７１ｂの上部電極層に接続されている。Ｇａｙ端子は、検出電極７２ａの上部電極層に接続され、Ｇｂｙ端子は、検出電極７２ｂの上部電極層に接続されている。Ｇａｚ端子は、検出電極５１ａの上部電極層に接続され、Ｇｂｚ端子は、検出電極５１ｂの上部電極層に接続されている。Ｖref端子は、駆動電極３０１、３０２の各々の下部電極層３０３（図２）と、検出電極５１ａ、５１ｂ、７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂの各々の下部電極層とに、それぞれ接続されている。
【００８９】
駆動回路１００Ｃにおいて、Ｇｏ１端子は、自励発振回路１０１の出力端に接続されている。自励発振回路１０１は、駆動電極３０１、３０２を駆動するための駆動信号（交流信号）を生成する。Ｇｏ２端子は、反転アンプ１０２を介して自励発振回路１０１の出力端に接続されている。反転アンプ１０２は、自励発振回路１０１にて生成された駆動信号の位相を反転させる。これにより、第１の駆動電極３０１と第２の駆動電極３０２とは、相互に逆位相で伸縮される。Ｖref端子は、所定の基準電位に接続されている。基準電位は、グラウンド電位でもよいし、一定のオフセット電位でもよい。
【００９０】
駆動回路１００Ｃはさらに、演算回路１０３Ｃと、検波回路１０４ｘ、１０４ｙ、１０４ｚと、平滑回路１０５ｘ、１０５ｙ、１０５ｚとを有する。ＧFB端子、Ｇａｘ端子、Ｇｂｘ端子、Ｇａｙ端子、Ｇｂｙ端子、Ｇａｚ端子及びＧｂｚ端子はそれぞれ演算回路１０３Ｃの入力端に接続されている。演算回路１０３Ｃは、ＧFB端子を介して供給される参照電極６１の出力電圧に基づいて参照信号を生成し、これを自励発振回路１０１へ出力する。演算回路１０３Ｃは、Ｇａｘ端子及びＧｂｘ端子を介して供給される検出電極７１ａ、７１ｂの出力電圧の差分信号を生成し、これを検波回路１０４ｘへ出力する。また、演算回路１０３Ｃは、Ｇａｙ端子及びＧｂｙ端子を介して供給される検出電極７２ａ、７２ｂの出力電圧の差分信号を生成し、これを検波回路１０４ｙへ出力する。さらに、演算回路１０３Ｃは、Ｇａｚ端子及びＧｂｚ端子を介して供給される検出電極５１ａ、５１ｂの出力電圧の差分信号を生成し、これを検波回路１０４ｚへ出力する。
【００９１】
検波回路１０４ｘ、１０４ｙ、１０４ｚは、自励発振回路１０１からの駆動信号の出力あるいは参照信号に同期して上記差分信号を全波整流し、直流化する。平滑回路１０５ｘ、１０５ｙ、１０５ｚは、検波回路の出力を平滑化する。平滑回路１０５ｘから出力される直流電圧信号ωｘは、Ｘ軸まわりの角速度の大きさ及び方向に関する情報が含まれる。また、平滑回路１０５ｙから出力される直流電圧信号ωｙは、Ｙ軸まわりの角速度の大きさ及び方向に関する情報が含まれる。さらに、平滑回路１０５ｚから出力される直流電圧信号ωｚは、Ｚ軸まわりの角速度の大きさ及び方向に関する情報が含まれる。すなわち、基準電位Ｖrefに対する上記直流電圧信号ωｘ、ωｙ、ωｚの大きさが角速度の大きさに関する情報に相当し、当該直流電圧の極性が角速度の方向に関する情報に相当する。
【００９２】
以上のように、本実施形態によれば、Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向の軸まわりの角速度を、ＸＹ平面内で振動するフレーム１０のＸＺ平面内、ＹＺ平面内及びＸＹ平面内におけるそれぞれの変形に基づいて検出することができる。これにより、厚み寸法を大きくすることなく、Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向の３軸まわりの角速度を高精度に検出することができ、さらにセンサの薄型化を実現することが可能となる。
【００９３】
また、本実施形態に係る角速度センサは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステム等の電子機器に内蔵され、手振れ検知や動作検知、方向検知等のためのセンサ部品として広く用いられる。特に、本実施形態によれば、センサの小型化、薄型化を図ることができるため、電子機器の小型化、薄型化等に対する要求にも十分に応えることが可能である。
【００９４】
（第４の実施形態）
図１５及び図１６は、本発明の第４の実施形態に係る角速度センサを示している。フレーム１０の構成及びフレーム１０上の電極配置例は、第１〜第３の実施形態で説明したいずれの例をも採用可能である。本実施形態では、フレーム１０上の電極配置例は、図１３に示した電極配置例と同一とした。
【００９５】
図１５は、本実施形態の角速度センサ５Ａの構成を示す平面図である。図１６は、回路基板１５０に実装された角速度センサ５Ａの側面図である。本実施形態の角速度センサ５Ａは、固定部としての回路基板１５０に対してフレーム１０を接続するための支持部を備えている。上記支持部は、ベース８１と、連結部８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄとを有している。
【００９６】
ベース８１は、フレーム１０の外側を囲む四角形状の枠状に形成されている。ベース８１は、上記回路基板に対して電気的に接続される複数の電極パッド１５２を有している。電極パッド１５２にはバンプ１５３がそれぞれ形成されており、各電極パッド１５２は、バンプ１５３を介して回路基板１５０上の複数のランド１５１に電気的機械的に接続されている。すなわち、本実施形態の角速度センサ５Ａは、回路基板１５０に対してフリップチップ方式で実装されている。ただしバンプを形成せずに、単純に半田溶融で各電極パッドと回路基板とを電気的機械的に接続するように実装されてもよい。
【００９７】
また、角速度センサ５Ａの実装にはワイヤボンディング方式を用いてもよい。この場合、角速度センサ５Ａは、図１６に示した例とは逆に、回路基板に対して裏返しとなるように、すなわち複数の電極パッドが上向きとなるように接着等で機械的に接続される。その後、各電極パッドは、ワイヤボンディングによって回路基板と電気的に接続される。
【００９８】
連結部８２ａ〜８２ｄはそれぞれ、接続部１３ａ〜１３ｄとベース８１との間に形成されている。連結部８２ａ〜８２ｄは、クランク状に略９０度屈曲した屈曲部分を有しており、フレーム１０の振動を受けて、主としてＸＹ平面内において変形可能にフレーム１０と一体的に形成されている。連結部８２ａ、８２ｂは、ベース８１の梁１２ａと対向する領域に各々接続され、連結部８２ｃ、８２ｄは、ベース８１の梁１２ｂに対向する領域に各々接続されている。また、連結部８２ａ〜８２ｄの表面には、駆動電極３０１、３０２、検出電極５１ａ、５１ｂ、７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂの各々の上部電極層及び下部電極層と、これらに対応する各電極パッド１５２との間を電気的に接続する配線層が形成されている。
【００９９】
以上のように構成される本実施形態の角速度センサ５Ａによれば、フレーム１０からベース８１へ伝播する振動成分を連結部８２ａ〜８２ｄの変形により吸収あるいは緩和することが可能となる。これにより、フレーム１０の振動を阻害することなく、角速度センサ５Ａを回路基板１５０に対して安定して実装でき、高精度な角速度検出機能と実装信頼性を確保することができる。
【０１００】
以上の例ではフレームと連結部とベースは、全て同じ厚さで形成されている。このことにより、加工時の出発材料であるシリコン単結晶基板の厚さで、フレームと連結部とベースの厚みが決まるため、厚さのばらつきが小さくなり、角速度センサの特性が安定する。
しかしフレームと連結部とベースの厚みとは必ずしも同じである必要はなく、例えばベースの厚さをフレームや連結部の厚さよりも大きくしてもよい。これにより角速度センサ製造時のハンドリング性が向上する。また当該角速度センサを回路基板等に実装する際に、ベースの変形や破損を防止することができる。
【０１０１】
フレーム１０とベース８１との間を連結する連結部の構成は、上記の例に限られず、例えば図１７及び図１８に示すように構成されてもよい。図１７に示す角速度センサ５Ｂにおいて、フレーム１０の各接続部１３ａ〜１３ｄとベース８１との間を連結する連結部８３ａ〜８３ｄは、略１８０度転回した転回部分を有している。本例では、連結部８３ａ、８３ｄは、ベース８１の梁１１ａと対向する領域に各々接続され、連結部８３ｂ、８３ｃは、ベース８１の梁１１ｂに対向する領域に各々接続されている。本例の角速度センサ５Ｂにおいても、上述の角速度センサ５Ａと同様な作用効果を有する。
【０１０２】
角速度センサ５Ｂは、角速度センサ５Ａに比べて連結部の長さが長いので、フレーム１０の振動をより阻害しにくい点で優れているが、その分角速度センサ５Ｂの方がベースを含めた大きさが大きくなる。このため、振動特性を確認した上で、両者のバランスをとって決めればよい。
【０１０３】
また角速度センサ５Ａ，５Ｂともに連結部はａ軸、ｂ軸に対し線対称になるように配置されたが、これに限られず例えば４回回転対称になるように配置されてもよい。しかし、図５のようにフレームがコリオリ力によって歪変形する際に、コリオリ力が正逆両方に作用しても安定して対称に変形するように設計することが難しいため、図１５や図１７のように連結部はａ軸、ｂ軸に対し線対称にすることが好ましい。
【０１０４】
一方、図１８に示す角速度センサ５Ｃは、フレーム１０の内周側で回路基板１５０と接続される構造を有しており、ベース８４と、フレーム１０の各接続部１３ａ〜１３ｄとベース８４との間を連結する連結部８４ａ〜８４ｄとを有している。本例の角速度センサ５Ｃにおいても、上述の角速度センサ５Ａと同様な作用効果を有する。特に本例によれば、フレーム１０と同等の実装面積で実装することができるため、回路基板１５０に対する実装領域の縮小を図ることができる。
【０１０５】
（第５の実施形態）
図１９〜図２２は、本発明の第５の実施形態に係る角速度センサをそれぞれ示している。各図において、フレーム１０の構成及びフレーム１０上の電極配置例は、第１〜第３の実施形態で説明したいずれの例をも採用可能である。本実施形態では、フレーム１０上の電極配置例は、図１３に示した電極配置例と同一とした。
【０１０６】
図１９に示す角速度センサ６Ａは、フレーム１０の各梁１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄにこれら梁の振動重錘を構成する重錘部９１が形成されている。重錘部９１は、各梁の中央部内側に各々形成されている。重錘部９１は、梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂに対して変形可能に構成されてもよい。重錘部９１の形状、大きさ、重さ、数を適宜設定することにより、フレーム１０の基本振動における梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの振幅や共振周波数、離調度等を容易に調整することが可能となる。
【０１０７】
重錘部は、各梁に形成される場合に限られず、任意のひとつの梁にのみ形成されてもよい。また、重錘部の形成位置は、梁の内側に限られず、外側でもよいし、内側と外側の双方であってもよい。後者の場合、重錘部の形状、大きさあるいは重さは、梁の内側と外側とで同一でもよいし、異ならせてもよい。また、重錘部は梁と一体的に形成されてもよいし、梁とは別部材で構成されてもよい。
【０１０８】
例えば図２０に示す角速度センサ６Ｂは、各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの中央部の内側と外側に重錘部９２ａ、９２ｂを有する。本例では、各重錘部９２ａ、９２ｂは形状が異なり、重錘部９２ａよりも重錘部９２ｂが重く形成されている。
また、図２１に示す角速度センサ６Ｃは、各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの中央部の内側と外側に重錘部９３ａ、９３ｂを有する。本例では、各重錘部９３ａ、９３ｂは大きさが異なり、重錘部９３ｂよりも重錘部９３ａが重く形成されている。
さらに、図２２に示す角速度センサ６Ｄは、各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの中央部の内側と外側に重錘部９４ａ、９４ｂを有する。本例では、各重錘部９４ａ、９４ｂは形状及び大きさが同一であり、同一の重さで形成されている。
【０１０９】
（第６の実施形態）
図２３〜図２５は、本発明の第６の実施形態に係る角速度センサを示している。以下、第１〜第３の実施形態と異なる構成について主に説明し、上記各実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。
【０１１０】
図２３は、本実施形態の角速度センサ７の平面図である。本実施形態では、ａ軸に平行な軸方向に一方の角速度検出軸（Ｙ軸）が設定され、ｂ軸に平行な軸方向に他方の角速度検出軸（Ｘ軸）が設定される。このような構成において、振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂに形成された検出電極７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂ各々は、Ｘ軸まわりの角速度及びＹ軸まわりの角速度をそれぞれ検出するための検出部として機能する。
【０１１１】
駆動電極３０１、３０２には、相互に逆位相の交流電圧がそれぞれ印加される。これにより、フレーム１０の各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ及び振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは、図４に示した振動モード（基本振動）で振動する。図２４（Ａ）は、フレーム１０にＸ軸まわりの角速度が作用したときの振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂの振動形態を説明する概略斜視図である。一方、図２４（Ｂ）は、フレーム１０にＹ軸まわりの角速度が作用したときの振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂの振動形態を説明する概略斜視図である。
【０１１２】
基本振動で振動するフレーム１０にＸ軸まわりの角速度が作用すると、図２４（Ａ）に示すように各振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂにその瞬間での振動方向と直交する方向のコリオリ力Ｆ１がそれぞれ発生する。これにより、Ｘ軸方向に隣接する一方の振り子部２１ａ及び振り子部２２ｂの組は、コリオリ力Ｆ１によりＺ軸の正の方向へ変形し、それらの変形量が検出電極７１ａ、７２ｂによって各々検出される。また、Ｘ軸方向に隣接する他方の振り子部２２ａ、２１ｂの組は、コリオリ力Ｆ１によりＺ軸の負の方向へ変形し、それらの変形量が検出電極７２ａ、７１ｂによって各々検出される。
【０１１３】
一方、基本振動で振動するフレーム１０にＹ軸まわりの角速度が作用すると、図２４（Ｂ）に示すように各振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂにその瞬間での振動方向と直交する方向のコリオリ力Ｆ２がそれぞれ発生する。これにより、Ｙ軸方向に隣接する一方の振り子部２１ａ及び振り子部２２ａの組は、コリオリ力Ｆ２によりＺ軸の負の方向へ変形し、それらの変形量が検出電極７１ａ、７２ａによって各々検出される。また、Ｙ軸方向に隣接する他方の振り子部２１ｂ、２２ｂの組は、コリオリ力Ｆ２によりＺ軸の正の方向へ変形し、それらの変形量が検出電極７１ｂ、７２ｂによって各々検出される。
【０１１４】
Ｘ軸及びＹ軸に各々斜めに交差する方向の軸まわりに角速度が生じた場合にも上述と同様な原理で角速度が検出される。すなわち、各振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは、当該角速度のＸ方向成分及びＹ方向成分に応じたコリオリ力によって変形し、それらの変形量が検出電極７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂによって各々検出される。角速度センサ７の駆動回路は、これら検出電極の出力に基づいて、Ｘ軸まわりの角速度及びＹ軸まわりの角速度をそれぞれ抽出する。これにより、ＸＹ平面に平行な任意の軸まわりの角速度を検出することができる。
【０１１５】
図２５は、角速度センサ７の駆動回路１００Ｄを示すブロック図である。駆動回路１００Ｄは、角速度センサ７の各検出電極と電気的に接続されるＧｘｙ１端子、Ｇｘｙ２端子、Ｇｘｙ３端子、Ｇｘｙ４端子、Ｇｚ１端子及びＧｚ２端子を有する。Ｇｘｙ１端子は、振り子部２１ａの検出電極７１ａに接続され、Ｇｘｙ２端子は、振り子部２２ａの検出電極７２ｂに接続される。Ｇｘｙ３端子は、振り子部２１ｂの検出電極７１ｂに接続され、Ｇｘｙ４端子は、振り子部２２ｂの検出電極７２ａに接続される。そして、Ｇｚ１端子は、フレーム１０の検出電極５１ａに接続され、Ｇｚ２端子は、フレーム１０の検出電極５１ｂに接続される。
【０１１６】
駆動回路１００Ｄの演算部１０３Ｄは、Ｘ軸まわりの角速度信号を生成するための第１の差分回路と、Ｙ軸まわりの角速度信号を生成するための第２の差分回路と、Ｚ軸まわりの角速度信号を生成するための第３の差分回路とを有する。検出電極７１ａの出力をｘｙ１、検出電極７２ｂの出力をｘｙ２、検出電極７１ｂの出力をｘｙ３、検出電極７２ａの出力をｘｙ４、検出電極５１ａの出力をｚ１、そして、検出電極５１ｂの出力をｚ２とする。このとき、上記第１の差分回路は、（ｘｙ１＋ｘｙ２）−（ｘｙ３＋ｘｙ４）を演算し、その演算値を検波回路１０４ｘへ出力する。上記第２の差分回路は、（ｘｙ１＋ｘｙ４）−（ｘｙ２＋ｘｙ３）を演算し、その演算値を検波回路１０４ｙへ出力する。そして、上記第３の差分回路は、（ｚ１−ｚ２）を演算し、その演算値を検波回路１０４ｚへ出力する。
すなわち本実施形態の角速度センサ７は、ａ軸に平行はＹ軸まわりの角速度と、ｂ軸に平行なＸ軸まわりの角速度とを出力する。
【０１１７】
角速度センサは外部回路に実装するために四角形のパッケージに収められる。この形態ではパッケージの四角形の辺に平行な方向の軸回りの角速度を出力することが一般的である。このような場合、ａｂ軸に平行な軸回りの角速度を出力できる本実施の形態を用いれば、パッケージの大きさを小さくすることができる。
【０１１８】
また以上のように構成される本実施形態の角速度センサ７においては、Ｘ軸方向の角速度及びＹ軸方向の角速度を高精度に検出することができるため、これらから簡単な演算によりＸＹ平面内の任意の方向の軸回りの角速度を出力することが可能である。
【０１１９】
同様に第２、第３の実施形態の角速度センサは、ａ軸、ｂ軸に対しａｂ平面内で４５°回転したＸ軸方向の角速度及びＹ軸方向の角速度を高精度に検出することができる。従ってこれらから簡単な演算によりａｂ（ＸＹ）平面内の任意の方向の軸回りの角速度を出力することが可能である。
【０１２０】
（第７の実施形態）
図２６は、本発明の第７の実施形態に係る角速度センサの平面図である。以下、第１〜第４の実施形態と異なる構成について主に説明し、上記各実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。
【０１２１】
本実施形態の角速度センサ７は、略正方形状の環状のフレーム１１０を有する。フレーム１１０は、第１の梁の組１１１ａ、１１１ｂと第２の梁の組１１２ａ、１１２ｂとの間を接続する複数の接続部１３ａ〜１３ｄを有し、各接続部は、正方形の各頂点に対応するフレーム１１０の四隅に各々配置されている。そして、第１の梁の組１１１ａ、１１１ｂ及び第２の梁の組１１２ａ、１１２ｂは、各接続部１３ａ〜１３ｄを頂点とする正方形Ｓ（図２６）の内方側に突出する突出部ｐをそれぞれ有し、全体として弓形に形成されている。
【０１２２】
各梁１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂは、突出部ｐと、突出部ｐの両端を接続部１３ａ〜１３ｄに固定する傾斜部ｖとを有する。傾斜部ｖは、突出部ｐの両端にそれぞれ形成され、突出部ｐが正方形Ｓの内方側に位置するように突出部ｐを支持する。
【０１２３】
第１の梁の組１１１ａ、１１１ｂの突出部ｐはそれぞれａ軸方向に平行に形成され、ｂ軸方向に相互に対向している。第２の梁の組１１２ａ、１１２ｂの突出部ｐはそれぞれｂ軸方向に平行に形成され、ａ軸方向に相互に対向している。各々の突出部ｐの表面には、上述の各実施形態と同様に駆動電極がそれぞれ形成され、所定の梁の突出部には検出電極及び参照電極が形成されている。
【０１２４】
以上のように構成されるフレーム１１０においては、各梁１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂが弓型に形成されているため、フレームの占有面積が小さくなっても、フレームを形成する各梁の長さは短くならないので、振動モードの共振周波数は大きく変化しない。従って例えばｃ軸（ｚ軸）まわりに角速度が作用した際、図５に示したようなａｂ平面内における歪曲変形は阻害されないため、ｃ軸（ｚ軸）まわりの角速度検出感度を維持することができる。
【０１２５】
一方、本実施形態の角速度センサ７においては、図２６に示すように、フレーム１１０を固定部８１へ連結する連結部８６ａ、８６ｂ、８６ｃ、８６ｄを有する。各連結部８６ａ〜８６ｄは、接続部１３ａ〜１３ｄ各々からａ軸方向に対向する接続部に向かって直線的に延びる連結端部ｗａ〜ｗｄをそれぞれ有する。
【０１２６】
すなわち、連結部８６ａは、接続部１３ａから接続部１３ｄに向かって直線的に延びる連結端部ｗａを有し、連結部８６ｂは、接続部１３ｂから接続部１３ｃに向かって直線的に延びる連結端部ｗｂを有する。同様に、連結部８６ｃは、接続部１３ｃから接続部１３ｂに向かって直線的に延びる連結端部ｗｃを有し、連結部８６ｄは、接続部１３ｄから接続部１３ａに向かって直線的に延びる連結端部ｗｄを有する。
【０１２７】
連結端部ｗａ〜ｗｄの延在方向はａ軸方向だけに限られず、ｂ軸方向であってもよい。連結端部ｗａ〜ｗｄの延在方向をａ軸方向またはｂ軸方向とすることにより、各速度センサ７の形状がａ軸方向またはｂ軸方向に関して対称となることで、フレーム１１０の振動特性の調整が容易となる。勿論これに限られず、ａ軸方向に延びる連結端部とｂ軸方向に延びる連結端部とが混在していてもよい。なお連結端部は、ａ軸又はｂ軸方向に対して斜め方向に延びるように形成されてもよいが、後述するようにａ軸又はｂ軸方向に形成された場合の方が素子の小型化に有利となる。
【０１２８】
連結部８６ａ〜８６ｄを以上のように構成することによって、角速度センサ７の小型化を図ることが可能となる。図２７は、本実施形態の角速度センサ７と、他の実施形態に係る角速度センサ８との大きさを比較した平面図であり、（Ａ）は角速度センサ７を、（Ｂ）は角速度センサ８をそれぞれ示す。
【０１２９】
比較として示す角速度センサ８は、正方形状のフレーム１０と、フレーム１０を図示しない固定部に固定する４本の連結部８７ａ、８７ｂ、８７ｃ、８７ｄとを有する。フレーム１０は、例えば第１の実施形態と同様に、直線的な第１及び第２の梁の組１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂで構成されている。
【０１３０】
ここで、角速度センサ７のフレーム１１０の外形を、角速度センサ８のフレーム１０に対応する大きさの正方形Ｓで形成した場合を考える。角速度センサ８においては、各梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂが直線的に形成されているため、各連結部８７ａ〜８７ｄは例えばＬ２で示すフレーム１０の外側領域に形成される必要がある。これに対して角速度センサ７においては、各梁１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂが弓型に形成されていること、連結部８６ａ〜８６ｄの連結端部ｗａ〜ｗｄが上述のように直線的に形成されていることにより、各連結部８６ａ〜８６ｄは例えばＬ１で示すＬ２よりも小さい範囲で形成可能となる。
【０１３１】
すなわち、フレームの各梁の中央部がフレームの内側に弓型に突出することで、逆に各梁の中央部の外側には弓型の凹部が形成される。この凹部に各連結部の一部を配置することで、連結部をコンパクトに配置することができ、角速度センサを小型化することが可能となる。フレームの振動モードやコリオリ力による歪変形を阻害しない観点から、連結部の弾性はある程度以上低い必要があるため、連結部には少なくとも１か所、好ましくは２か所以上の屈曲部を設けるとよい。図２６のように連結部の２か所の屈曲部を、上記フレームの梁の外側の凹部に配置することで、フレームの４つの接続部とベースの隙間には連結部の屈曲部を無くして連結部の梁１本分だけ配置させることが可能となり、角速度センサの小型化と連結部の弾性維持による駆動検出特性確保を両立することができる。
【０１３２】
以上のように本実施形態によれば、角速度センサの小型化を図ることができる。また、本実施形態の角速度センサ７によれば、梁１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂと振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂとの間の空間部を小さくすることができる。このため、例えばエッチング加工技術によってフレーム１１０を一枚のシリコン基板から形成する場合、エッチングによって除去する領域を低減できるとともに、エッチング領域の粗密の分布が小さくなるため安定したエッチング加工を実現することができる。これにより角速度センサを高精度に形成することが可能となる。
【０１３３】
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【０１３４】
例えば以上の実施形態では、フレーム１０の各振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂをそれぞれ接続部１３ａ〜１３ｄからフレーム１０の内側に向かって突出するように形成された。これに限らず、図２８に示すように各振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂを接続部１３ａ〜１３ｄからフレーム１０の外側に向かって突出するように形成されてもよい。
【０１３５】
また、フレーム１０の上に形成される各種電極の配置例は、上述の例に限られず、以下のように変形が可能である。
【０１３６】
（１）形成位置
フレーム１０に形成される各種電極（駆動電極、検出電極、参照電極）は、フレーム１０の一方の表面にのみ形成される場合に限られない。例えば、フレーム１０の表面、裏面、側面などに電極を振り分けて配置されてもよい。
【０１３７】
（２）参照電極
図６等に示した実施形態では、参照電極６１を梁１２ａの中心部外側に配置したが、第２の駆動電極３０２の形成位置に参照電極が形成されてもよい。また、参照電極が形成される梁は特に限定されず、梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのいずれであってもよい。
【０１３８】
図６等に示した実施形態では、第１の駆動電極３０１の形成を省略し、当該駆動電極３０１の形成位置に参照電極６１を形成したが、図２９に示すように、第１及び第２の駆動電極３０１、３０２に加えて参照電極６１を形成してもよい。また、図３０に示すように、参照電極６１は、梁１２ｂを跨ぐように振り子部２１ａ、２２ｂ上に形成されてもよい。なお、図２９及び図３０では、梁１１ｂだけでなく梁１１ａにも検出電極５１ａ、５１ｂを配置した例を同時に示す。
【０１３９】
（３）検出電極
Ｚ軸まわりの角速度を検出するための検出電極５１ａ、５１ｂも同様に、第１及び第２の駆動電極３０１、３０１のいずれかに代えて形成される例に限られない。図３１及び図３２に示すように、検出電極５１ａ、５１ｂは、駆動電極３０１、３０２とともに形成されてもよい。図３１は、第２の駆動電極３０２が第１の駆動電極３０１と一対の検出電極５１ａ、５１ｂとで挟まれるように各電極を配置した例を示し、図３２は、第２の駆動電極３０２が一対の検出電極５１ａ、５１ｂで挟まれるように各電極を配置した例を示している。また図３３に示すように、少なくとも一組の検出電極５１ａ、５１ｂを梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂを跨ぐように振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ上に形成されてもよい。
【０１４０】
図１５等に示した実施形態では、フレーム１０とベース８１との間を連結する連結部８２ａ〜８２ｄがＸＹ平面内において変形自在に構成されていることから、Ｚ軸まわりの角速度を検出する検出電極５１ａ、５１ｂを当該連結部に配置してもよい。その一例を図３４及び図３５に示す。図３４は、連結部８２ａ〜８２ｄの接続部１３ａ〜１３ｄ側の端部に検出電極５１ａ、５１ｂが配置された例を示す。図３５は、連結部８２ａ〜８２ｄのベース８１側の端部に検出電極５１ａ、５１ｂが配置された例を示す。上記の構成例に限られず、検出電極５１ａ、５１ｂは、連結部８２ａ〜８２ｄの両端部の途中に配置されてもよい。また、検出電極５１ａ、５１ｂは、全ての連結部８２ａ〜８２ｄに形成される例に限られず、例えば、連結部８２ａと連結部８２ｂの組、及び、連結部８２ｃと連結部８２ｄの組のいずれか一方にのみ配置されてもよい。
【０１４１】
例えば図２１等に示した実施形態において、重錘部９３ａ、９３ｂが梁１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂに対して変形自在に構成されている場合、Ｚ軸まわりの角速度を検出するための検出電極５１ａ、５１ｂは重錘部９３ａ、９３ｂの変形可能領域に配置されてもよい。図３６は、梁１１ａ、１１ｂとそれらの外側の重錘部９３ａとの間に検出電極５１ａ、５１ｂが配置された例を示す。図３７は、梁１１ａ、１１ｂとそれらの内側の重錘部９３ｂとの間に検出電極５１ａ、５１ｂが配置された例を示す。図示の例に限られず、検出電極５１ａ、５１ｂは、重錘部９３ａと重錘部９３ｂの双方に配置されてもよいし、各梁の重錘部すべてに形成されてもよい。
【０１４２】
さらに、Ｚ軸まわりの角速度検出用の検出電極は、図３８及び図３９に示すように第１の梁と第２の梁との間を接続する接続部周辺に形成されてもよい。接続部周辺とは「接続部」または「接続部及び接続部に接続される梁の接続部隣接部」または「接続部に接続される梁の接続部隣接部」のいずれかを指す。例えば、図３８に示す角速度センサは、Ｚ軸まわりの角速度検出用の検出電極５１ａ、５１ｂが接続部１３ａ〜１３ｄの周辺の内周側に形成された例を示し、図３９に示す角速度センサは、検出電極５１ａ、５１ｂが接続部１３ａ〜１３ｄの周辺の外周側に形成された例を示している。
【０１４３】
検出電極５１ａは、対角関係にある一方の組の接続部１３ａ、１３ｃ周辺にそれぞれ形成されている。一方の検出電極５１ａは、接続部１３ａから梁１１ａ及び１２ａに沿って２方向に延びており、他方の検出電極５１ａは、接続部１３ｃから梁１１ｂ及び１２ｂに沿って２方向に延びている。また、検出電極５１ｂは、対角関係にある他方の組の接続部１３ｂ、１３ｄ周辺にそれぞれ形成されている。一方の検出電極５１ｂは、接続部１３ｂから梁１１ｂ及び１２ａに沿って２方向に延びており、他方の検出電極５１ｂは、接続部１３ｄから梁１１ａ及び１２ｂに沿って２方向に延びている。
接続部から梁に沿って延びる検出電極は、歪の検出効率を上げる観点から、フレームの１辺の長さの１／４を超えない範囲で接続部周辺に配置するとよい。
【０１４４】
図３８及び図３９に示す角速度センサにおいては、Ｚ軸まわりに角速度が作用した際、フレーム１０の内角の大きさが図５に示したように周期的に変動する。このとき、対角関係にある一方の接続部１３ａ、１３ｃの組と他方の接続部１３ｂ、１３ｄの組とでは内角の変動が相互に逆位相となる。したがって接続部１３ａ上の検出電極５１ａの出力と接続部１３ｃ上の検出電極５１ａの出力とは原理的には同一であり、接続部１３ｂ上の検出電極５１ｂの出力と接続部１３ｄ上の検出電極５１ｂの出力とは原理的には同一であるが、２つの検出電極５１ａの出力の和と２つの検出電極５１ｂの出力の和との差分を算出することで、フレーム１０に作用するＺ軸まわりの角速度の大きさ及び方向が高感度で検出可能となる。
【０１４５】
この算出は４つの検出電極５１ａ，５１ｂの出力をＩＣ回路にそれぞれ入力し、ＩＣの内部で行ってもよい。ただしＺ軸まわりの角速度を算出する式は１つに決まるため、２つの検出電極５１ａ，５１ｂのそれぞれの出力の和をＩＣ回路に入力し、ＩＣ内部では両者の差分のみを算出するようにしてもよい。前記出力の和はフレーム上または角速度センサを実装する基板上で、２つの検出電極５１ａ，５１ｂの出力同士をそれぞれ結線することでも実現できる。このようにすれば、ＩＣの入力端子の数を削減することができる。
【０１４６】
また、図３８及び図３９に示す角速度センサは、第１の梁１１ａ、１１ｂの組の長手方向の中心線の外側に第１の駆動電極３０１が線対称に形成され、第２の梁１２ａ、１２ｂの組の長手方向の中心線の外側に第２の駆動電極３０２が線対称に形成された例を示している。本例では、第１及び第２の駆動電極３０１、３０２による相互に逆位相の圧電振動によってフレーム１０を基本振動させる。参照電極６１は、第２の梁１２ａ、１２ｂの長手方向の中心線の内側にそれぞれ線対称に形成されているが、第１の梁１１ａ、１１ｂにそれぞれ形成されてもよい。
【０１４７】
駆動電極の長さは、単位電力あたりの駆動効率向上の観点から、フレームの１辺の長さの１／２程度とするとよい。また参照電極の長さも、歪の検出効率向上の観点から、駆動電極と同様にフレームの１辺の長さの１／２程度とするとよい。
【０１４８】
電極は必ずしも線対称に配置する必要はないが、図３８、図３９のように駆動電極、検出電極、参照電極を全て線対称に配置すれば、そうでない場合に比べて振動モードが安定し、検出精度も向上する。
【０１４９】
これまでの実施形態では、駆動電極の圧電層を挟む下部電極と上部電極は少なくとも一方が基準電位（Ｖref）に接続される回路を採用していた。図３８及び図３９の例では図４５に示すように、上部電極と下部電極に逆位相の駆動信号が接続されている。これにより一方が基準電位の場合に比べて２倍の電圧で駆動されることになる。これにより１つの梁に対応する駆動電極が１つしかないことによる振幅の低下を防止できる。
【０１５０】
図２３〜図３９に示した構成は、相互に組み合わされてもよいし、第１〜第５の実施形態に適宜組み合わされてもよい。
【０１５１】
（角速度検出周波数の調整）
一方、単一のジャイロセンサでＸ、Ｙ及びＺの各軸まわりの角速度を安定に検出するために、駆動周波数と各軸の検出周波数との間の調整を図る必要がある。一般的にジャイロセンサは、駆動周波数ｆｄと検出周波数ｆｓとがほぼ等しくなるように設計されるが、特性を安定させるなどの理由で、ｆｄとｆｓを完全に一致させずに、０．９５＜（ｆｄ／ｆｓ）＜１．０５の範囲でｆｄとｆｓの値が調整される。ここで図４０及び図４１のプロットで示すようにフレーム１０の各梁の幅をＷ１、厚みをＨ１としたとき、Ｗ１：Ｈ１＝１：１の場合、フレーム１０や振り子部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂの大きさを変えても、１．１５＜（ｆｄ／ｆｓ）＜１．２５となり、離調度が大きいためＸ軸及びＹ軸まわりの角速度の検出感度がとれないことが有限要素法による計算で明らかとなった。
【０１５２】
ここで検出周波数ｆｓは振動子の厚みにほぼ比例するのに対し、駆動周波数ｆｄは厚みには依存しない。そこで、１．１５≦Ｗ１／Ｈ１≦１．２５とすれば、フレーム１０の駆動周波数をｆｄ、Ｘ軸及びＹ軸まわりの角速度の検出周波数をｆｓとしたとき、（ｆｄ／ｆｓ）＝１となるように調整できる。従って角速度の検出特性が安定するように、（ｆｄ／ｆｓ）を０．９５＜（ｆｄ／ｆｓ）＜１．０５の範囲に調整するには、１．１≦Ｗ／Ｈ≦１．３の範囲でＷ／Ｈを設定すればよい。
図４１に、Ｗ：Ｈ＝１：１のときのｆｄとｆｓの関係（（ｆｄ／ｆｓ）≒１．２）を実線で示す。１．１≦Ｗ／Ｈ≦１．３とすることで、図４１に破線で示すように０．９５＜（ｆｄ／ｆｓ）＜１．０５の関係を得ることができる。
【０１５３】
駆動周波数ｆｄと検出周波数ｆｓの離調度は、一般的に｜ｆｄ−ｆｓ｜で表される。Ｘ軸まわりの角速度検出周波数をｆｘ、Ｙ軸まわりの角速度検出周波数をｆｙとしたとき、上述のように駆動周波数ｆｄとの関係においては、０．９５＜（ｆｄ／ｆｘ）＜１．０５、０．９５＜（ｆｄ／ｆｙ）＜１．０５を満たすようにｆｘ、ｆｙが設定される。このときｆｘ、ｆｙは、例えば図４２（Ａ）に示すようにｆｘ及びｆｙを同等の大きさに設定することで、｜ｆｄ−ｆｘ｜＝｜ｆｄ−ｆｙ｜の関係が得られる。しかしこの場合、Ｘ軸まわりの角速度検出時の振動モードとＹ軸まわりの角速度検出時の振動モードとが相互に結合して、期待する振動モード以外の振動モードが現れるおそれがある。
【０１５４】
これに対して図４２（Ｂ）に示すように、ｆｘ＜ｆｄ＜ｆｙ、｜ｆｄ−ｆｘ｜＝｜ｆｄ−ｆｙ｜となるようにｆｘ、ｆｙをそれぞれ設定すると、Ｘ軸まわりの角速度検出時の振動モードとＹ軸まわりの角速度検出時の振動モードとの結合を回避でき、不要な振動モードの出現を回避できる。なおｆｘ、ｆｙは、ｆｙ＜ｆｄ＜ｆｘとなるように設定されてもよい。
【０１５５】
フレーム１０の各梁に振動重錘（重錘部）を有する実施形態においては、重錘部の形状、大きさを変更することで、周波数比ｆｄ／ｆｓがわずかに変化する。例えば重錘部を大きく重くしていくと、Ｘ軸、Ｙ軸まわりの角速度検出周波数ｆｘ、ｆｙは低下していくため、重錘部の形状によって周波数比ｆｄ／ｆｓを微調整することができる。
【０１５６】
一方、図４３（Ａ）〜（Ｄ）は、重錘部と参照電極とを有する梁１２ａの概略平面図である。図４３（Ａ）は重錘部９５と梁１２ａとの接続幅が比較的広く、当該接続幅に参照電極６１が配置された例を示す。この例では、重錘部９５は梁１２ａを実質的に太くする効果があるため、重錘部９５による梁１２ａの振動の抑制効果が働き、駆動電極３０２による振動モードを阻害し、振幅を小さくするおそれがある。そこで図４３（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、重錘部９５と梁１２ａとの接続幅をできるだけ狭くする。これにより梁１２ａの振動が重錘部９５により阻害されることはなく、参照電極６１による適正な振動検出が可能となる。特に重錘部の効果を考慮すると、図４３（Ｃ）（Ｄ）のように重錘部の先端付近の幅を大きく、根元の梁との接続部を小さくするとよい。重錘部９５と梁１２ａとの接続幅は特に限定されないが、局所的な破壊を防ぐ観点から例えば梁１２ａの幅と同等程度を下限とすることができる。
【０１５７】
なお安定した振動モードを維持するため、重錘部は各梁の組の両方の梁に設けることが望ましい。両方の梁の組の４つの梁全てに設けるとさらによい。
重錘部は各梁の内縁側、外縁側のどちらかに設けてもよいし、両方に設けてもよい。しかし角速度センサを小型化する観点から、内縁側のみに設けることが望ましい。
【０１５８】
（その他）
以上の実施形態では、フレーム１０を単結晶シリコンで構成し、その上に薄膜の圧電駆動層を形成したが、これに限られず、カーボンやエリンバー合金など他の材料で構成してよいし、水晶やニオブ酸リチウム等の圧電材料で構成されてもよい。また、フレーム１０を振動させる圧電駆動層は、全ての梁に形成される場合に限られず、例えば、各梁の組のうちそれぞれ一方側にのみ形成されてもよい。また、圧電駆動層は第１及び第２の駆動電極３０１、３０２で構成される例に限られず、単一の圧電駆動体で形成されてもよい。さらに、フレーム１０を振動させる駆動源は、圧電駆動だけに限られず、例えば、電磁駆動や静電駆動等の他の駆動方式が採用されてもよい。
【０１５９】
また、以上の実施形態では角速度センサを１枚のシリコン基板で形成された例を示したが、これに代えて、ＳＯＩ基板のように複数枚の基板を貼り合わせた積層板を用いて角速度センサを構成することも可能である。
【０１６０】
図４４（Ａ），（Ｂ）は、第１のシリコン基板Ｓ１と第２のシリコン基板Ｓ２との積層体で構成された角速度センサ９を示す。第１のシリコン基板Ｓ１は、フレーム１０、ベース８１およびこれらを連結する連結部を有する。第２のシリコン基板Ｓ２はシリコン酸化膜を介して第１のシリコン基板Ｓ１と接合され、開口９０ａを有する。開口９０ａは、フレーム１０の振動空間を形成する。フレーム１０と連結部は第１のシリコン基板Ｓ１と同一の厚みであり加工の影響を受けないため、厚みのばらつきが小さく、フレームの振動特性が安定するとともに、連結部はフレームの振動モードやコリオリ力による歪み変形を阻害せずに安定してフレームを支持することができる。第２のシリコン基板Ｓ２はベース８１の上に積層されることで、ベース８１の機械的強度を高める。これにより製造時のハンドリング性が向上する。
【０１６１】
またベースには回路基板１５０に電気的機械的に接続するための複数の電極パッドが設けられているが、図４４（Ａ）に示すように当該角速度センサをフリップチップ実装等でマウントする際に、第２のシリコン基板による補強効果によってベースの変形や破損を防止することができる。また、角速度センサ９を機械的に保護するとともに、外光の影響を除去するためのキャップが基板上に設けられるが、ベースが枠状かつフレームよりもシリコン基板Ｓ２の厚み分厚く形成されているため、ベースとキャップの隙間を通常よりも小さく、例えば０．２ｍｍ以下としてもよい。これによりキャップがフレームの動作に影響を与えることなしに、キャップを含めた角速度センサの厚みを薄くすることが可能となる。
【０１６２】
角速度センサの実装方法は上記の方法に限定されず、図４４（Ｂ）に示すようにワイヤボンディング方式を用いてもよい。この場合角速度センサ９は、図４４（Ａ）に示した例から回路基板１５０に対して裏返され、すなわち複数の電極パッドが上向きになるように接着等で機械的に接続され、その後ボンディングワイヤ１５４を介して回路基板１５０上の角速度センサの外側に配置されたランド１５１と角速度センサのベース上の電極パッドとを電気的に接続するようにボンディングされる。この場合も第２のシリコン基板による補強効果によって、接着時やワイヤボンディング時のベースの破損を防止することができる。
【符号の説明】
【０１６３】
１〜４、５Ａ〜５Ｃ、６Ａ〜６Ｄ、７〜９…角速度センサ
１０…フレーム
１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂ…梁
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ…接続部
２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ…振り子部
３１ａ、３１ｂ…圧電駆動層
５１…圧電駆動層
５１ａ、５１ｂ…（Ｚ軸まわりの角速度検出用の）検出電極
６１…参照電極
７１ａ、７１ｂ…（Ｘ軸まわりの角速度検出用の）検出電極
７２ａ、７２ｂ…（Ｙ軸まわりの角速度検出用の）検出電極
８１、８４…ベース
８２ａ〜８２ｄ、８３ａ〜８３ｄ、８４ａ〜８４ｄ…連結部
９１、９２ａ、９２ｂ、９３ａ、９３ｂ、９４ａ、９４ｂ、９５…重錘部
１００Ａ〜１００Ｄ…駆動回路
１５０…回路基板
３０１、３０２…駆動電極
３０３…下部電極層
３０４…圧電材料層
３０５…上部電極層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年8月25日(2011.8.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に延在し前記第１の方向と直交する第２の方向に相互に対向する第１の梁の組と、前記第２の方向に延在し前記第１の方向に相互に対向する第２の梁の組と、前記第１の梁と前記第２の梁との間を接続する複数の接続部とを有する環状のフレームと、
前記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームを前記第１及び第２の方向が属する第１の面内において振動させる駆動部と、
前記振動モードで振動する前記フレームの前記第１の面内における変形量に基づいて、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向の軸回りの角速度を検出する第１の検出部と、
前記第１の面内において前記第１及び第２の方向と交差する第４の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第１の振り子部と、
前記第１の面内において前記第１、第２及び第４の方向と交差する第５の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第２の振り子部と、
前記第１の面と直交する方向への前記第１及び第２の振り子部の変形量に基づいて、前記第１の面内における所定の２つの方向の軸回りの角速度を検出する第２の検出部と、
前記接続部に接続され、前記フレームを支持する支持部と
を具備する角速度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記第２の検出部は、前記第１及び第２の方向の軸回りの角速度を検出する
角速度センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記第２の検出部は、前記第１及び第２の振り子上に配置され前記第１の面と直交する方向への前記第１及び第２の振り子部の変形を電気的に検出する圧電層を含む
角速度センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記駆動部は、前記第１及び第２の梁にそれぞれ配置された圧電駆動層を含む
角速度センサ。
【請求項５】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記第１及び第２の梁の少なくとも一方に配置され、前記振動モードでの振動による前記梁の変形を検出するための圧電層を含む参照部をさらに具備する
角速度センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記支持部は、
固定部に機械的に固定されるベースと、
前記ベースと前記接続部との間を連結し変形可能な連結部とを有する
角速度センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の角速度センサであって、
前記ベースは、前記フレームの外側を囲む枠状に形成される
角速度センサ。
【請求項８】
請求項６に記載の角速度センサであって、
前記ベースは、前記固定部に電気的に接続される電極パッドを有する
角速度センサ。
【請求項９】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記フレームは、前記第１及び第２の梁のうち少なくとも一方に形成された重錘部をさらに有する
角速度センサ。
【請求項１０】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記第１の検出部は、前記第１及び第２の梁の少なくとも一方に配置され、前記梁の変形を電気的に検出する圧電層を含む
角速度センサ。
【請求項１１】
請求項１に記載の角速度センサであって、
前記第１及び第２の梁は、前記フレームの内方側に突出する突出部を有する
角速度センサ。
【請求項１２】
第１の方向に延在し前記第１の方向と直交する第２の方向に相互に対向する第１の梁の組と、前記第２の方向に延在し前記第１の方向に相互に対向する第２の梁の組と、前記第１の梁と前記第２の梁との間を接続する複数の接続部とを有する環状のフレームと、
前記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームを前記第１及び第２の方向が属する第１の面内において振動させる駆動部と、
前記振動モードで振動する前記フレームの前記第１の面内における変形量に基づいて、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向の軸回りの角速度を検出する第１の検出部と、
前記第１の面内において前記第１及び第２の方向と交差する第４の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第１の振り子部と、
前記第１の面と直交する方向への前記第１の振り子部の変形量に基づいて、前記第４の方向の軸回りの角速度を検出する第３の検出部と、
前記第１の面内において前記第１、第２及び第４の方向と直交する第５の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第２の振り子部と、
前記第１の面と直交する方向への前記第２の振り子部の変形量に基づいて、前記第５の方向の軸回りの角速度を検出する第４の検出部と、
前記接続部に接続され、前記フレームを支持する支持部と
を具備する角速度センサ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の角速度センサであって、
前記第３の検出部は、前記第１の振り子部上に配置され、前記第１の面と直交する方向への前記第１の振り子部の変形を電気的に検出する圧電層を含み、
前記第４の検出部は、前記第２の振り子部上に配置され、前記第１の面と直交する方向への前記第２の振り子部の変形を電気的に検出する圧電層を含む
角速度センサ。
【請求項１４】
第１の方向に延在し前記第１の方向と直交する第２の方向に相互に対向する第１の梁の組と、前記第２の方向に延在し前記第１の方向に相互に対向する第２の梁の組と、前記第１の梁と前記第２の梁との間を接続する複数の接続部とを有する環状のフレームと、
前記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームを前記第１及び第２の方向が属する第１の面内において振動させる駆動部と、
前記第１の面内において前記第１及び第２の方向と交差する第３の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第１の振り子部と、
前記第１の面内において前記第１、第２及び第３の方向と交差する第４の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第２の振り子部と、
前記第１の面と直交する方向への前記第１及び第２の振り子部の変形量に基づいて、前記第１の面内における所定の２つの方向の軸回りの角速度を検出する検出部と
前記接続部に接続され、前記フレームを支持する支持部と
を具備する角速度センサ。
【請求項１５】
第１の方向に延在し前記第１の方向と直交する第２の方向に相互に対向する第１の梁の組と、前記第２の方向に延在し前記第１の方向に相互に対向する第２の梁の組と、前記第１の梁と前記第２の梁との間を接続する複数の接続部とを有する環状のフレームと、
前記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームを前記第１及び第２の方向が属する面内において振動させる駆動部と、
前記振動モードで振動する前記フレームの前記面内における変形量に基づいて、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向の軸回りの角速度を検出する検出部と、
前記第１の面内において前記第１及び第２の方向と交差する第４の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第１の振り子部と、
前記第１の面内において前記第１、第２及び第４の方向と交差する第５の方向に延在するように前記接続部に設けられ、前記第１の面内で前記フレームの振動に同期して振動する第２の振り子部と、
前記第１の面と直交する方向への前記第１及び第２の振り子部の変形量に基づいて、前記第１の面内における所定の２つの方向の軸回りの角速度を検出する第２の検出部と、
前記接続部に接続され、前記フレームを支持する支持部と
を有する角速度センサを備えた電子機器。
【請求項１６】
第１の方向に延在し前記第１の方向と直交する第２の方向に相互に対向する第１の梁の組と、前記第２の方向に延在し前記第１の方向に相互に対向する第２の梁の組と、前記第１の面内において前記第１及び第２の方向と交差する第４の方向に延在するように前記接続部に設けられた第１の振り子部と、前記第１の面内において前記第１、第２及び第４の方向と交差する第５の方向に延在するように前記接続部に設けられた第２の振り子部と、前記第１の梁と前記第２の梁との間を接続する複数の接続部とを有する環状のフレームを、前記接続部に接続した支持部で支持し、
前記第１及び第２の梁の組のうち一方の組が近接したときに他方の組が離間し、前記一方の組が離間したときに前記他方の組が近接する振動モードで、前記フレームを前記第１及び第２の方向が属する第１の面内において振動させ、
前記第１の振り子部と前記第２の振り子部とを前記フレームの振動に同期して前記第１の面内でそれぞれ振動させ、
前記振動モードで振動する前記フレームの前記第１の面内における変形量に基づいて、前記第１及び第２の方向と直交する第３の方向の軸回りの角速度を検出し、
前記第１の面と直交する方向への前記第１及び第２の振り子部の変形量に基づいて、前記第１の面内における所定の２つの方向の軸回りの角速度を検出する
角速度の検出方法。
【国際調査報告】
2011086633.tif 000048
2011086633.tif 000049
2011086633.tif 000050
2011086633.tif 000051